Токовая защита нулевой последовательности

В сетях высокого напряжения любой тип неисправности может нарушить нормальную работу электроустановок. Распространенной неисправностью является замыкание на землю, которое представляет угрозу для жизни человека из-за потенциального повреждения, а также для оборудования из-за нарушения симметрии сети. Для предотвращения возможных последствий таких неисправностей на подстанциях и другом оборудовании используется токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП).

Содержание:

• Что такое нулевая последовательность
  • Принцип работы ТЗНП
  • Область применения
• Выбор уставок для ТЗНП
• Практическая реализация ТЗНП

 

Что такое нулевая последовательность?

Подавляющее большинство сетей питается от трехфазной системы. Она характеризуется тем, что каждая фаза сдвинута на 120º.

Если геометрически сложить предложенные векторы, то результат сложения будет равен нулю в нулевой точке. Это означает, что в системах 110 кВ, 10 кВ и 6 кВ, характеризующихся заземлением нейтрали трансформатора, при нормальных условиях эксплуатации ток в нейтральной точке отсутствует. Следует также отметить, что геометрически вращение фазы можно разделить на следующие типы.

• Прямая последовательность, где последовательность фаз выглядит как A — B — C.
• Инвертированные последовательности, в которых последовательность будет C — B — A.
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига составит 120º. Нулевая последовательность отличается от двух других, показывая, что векторы имеют одинаковое направление, но пространственное смещение между ними составляет 0º. Аналогичная ситуация может возникнуть в случае однофазного короткого замыкания, когда токи в оставшихся двух фазах текут к нулевой точке. Такая ситуация также может наблюдаться при фазных замыканиях, когда две из фаз, помимо перекрытия, также достигают земли, и ток только одной фазы будет протекать через ноль.

При трехфазном замыкании ток в нейтральной точке обмотки не протекает, несмотря на замыкание. Это происходит потому, что токи и напряжения нулевой последовательности все еще не существуют. Даже в этом случае фазные напряжение и ток могут увеличиться в несколько раз по сравнению с номинальным напряжением и током.

 

Принцип работы ТЗНП

Принцип работы почти всех защитных реле, предотвращающих возникновение токов нулевой последовательности, аналогичен.

Вариант, включающий Т-образное реле тока, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока (ТТ), соединенного звездой. В этом случае нейтраль звездообразной обмотки трансформатора отфильтрует компоненты нулевой последовательности, если они возникнут.  Пока система симметрична, обмотки Т-реле будут обесточены. Если на одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это и заставит ток протекать через нейтраль. Это будет элемент нулевой последовательности, который вызывает подачу напряжения на обмотку Т-реле.

За этим следует временная задержка, определяемая параметрами реле B. По истечении времени токовая защита посылает сигнал на соответствующее распределительное устройство U, которое затем отключает трехфазную сеть. Более сложные варианты схем могут также включать силовое реле, которое позволяет осуществлять направленную регулировку защиты.

В случае межфазного замыкания симметрия не нарушается, изменяется только величина тока. Вместо этого ТТ будет продолжать компенсировать ток, протекающий в нейтральной линии. Преимуществом такого расположения является то, что при максимальных рабочих токах защита все равно не сработает, так как симметрия будет сохранена.

Однако, если магнитные параметры измерительного трансформатора значительно отличаются, в системе возникнет дисбаланс и по нейтральной линии потекут несимметричные токи. Это может привести к неправильному срабатыванию токовой защиты даже в сетях, где поддерживается номинальное питание.

Правила выбора трансформаторов тока.

Для уменьшения дисбаланса, влияющего на правильное срабатывание токовой защиты, необходимо выбирать трансформаторы тока, вторичные токи которых не вызывают перегрузки по току. Для этого они должны соответствовать следующим требованиям.

• Имеют одинаковую кривую гистерезиса.
• Вторичные цепи одинаково нагружены.
• Ошибка на границе сети не должна превышать 10%.

В их вторичных цепях нельзя подключать другие нагрузки, которые в противном случае исказили бы кривую намагничивания хотя бы одного ТТ. Поэтому на практике рекомендуется в случае симметричного тока отключения системы заменять все три трансформатора одновременно, а не только один или два.

 

Область применения

Системы защиты по току, способные реагировать на нулевую последовательность, широко используются в линиях с заземленной нейтралью. Это связано с тем, что они имеют самые высокие токи повреждения. Однако его установка в случае изолированной нейтрали нецелесообразна, поэтому устройства РПН не используются. Сегодня широко используются защитные прерыватели замыканий на землю на подстанциях.

• на сборных шинах региональных подстанций для защиты электрооборудования.
• в трансформаторах, выключателях и распределительных устройствах на всех подстанциях.
• Цепи тока в крупных промышленных объектах с трехфазным оборудованием электроснабжения.

 

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения лестничного принципа защиты от отключения линии устройства токовой защиты, контролирующие возникновение нулевой последовательности в цепи, должны работать селективно. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи для поиска неисправностей или изоляции разрывов, в зависимости от важности цепи. Для этого для защитных устройств выбираются соответствующие уставки срабатывания. Рассмотрим пример выбора уставки в таком сценарии.

Как видите, в данном случае LPCB срабатывает по тому же принципу, что и защита от сверхтока, но с меньшей выдержкой времени. В данном примере каждая последующая ступень защиты имеет большую выдержку времени Δt, чем предыдущая. это означает, что время срабатывания первой ступени токоограничения по сравнению со второй будет рассчитываться по формуле. t1 = t2+ Δt. время срабатывания второй и третьей будет t2 = t3+ Δt. таким образом, каждое последующее реле имеет функцию резервной защиты.

Если обмотки инвертора коммутируются в системе «звезда-треугольник», а также «звезда-звезда», TDC первичной и вторичной цепей не совпадают. Поскольку короткое замыкание в высоковольтной линии не обязательно приводит к появлению компонентов нулевой последовательности в низковольтной обмотке и питаемой ею цепи. Поскольку избирательность ОЗПП для каждого из них должна устанавливаться независимо, на практике важно обеспечить их независимую работу.

Эта система поэтапной защиты помогает минимизировать дальнейшую передачу неисправностей на другие части сети и электрооборудование. Это также помогает оградить людей, управляющих этими устройствами, от опасности. Основным требованием к токовой защите является предотвращение неправильного включения по отношению к соответствующей зоне отключения.

 

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня защита от токов нулевой последовательности может быть реализована с помощью микропроцессорных устройств и реле. В большинстве случаев устаревшие реле обычно заменяются более новыми версиями защиты по току. Однако в дополнение к LPCB устанавливаются дистанционная, дифференциальная защита и другие устройства. Их работа основана как на симметричных компонентах, так и на других параметрах сети.

Кроме того, в своем классическом варианте LMLB не может определить местоположение разломов. То есть, ему не важно, в какой момент произошел сбой. Поэтому для определения направления протекания тока на землю используется направленная защита. Такая система обнаруживает не только ток, но и напряжение, создаваемое нулевой последовательностью. Эти значения обеспечиваются трансформаторами напряжения, подключенными в системе открытого треугольника.

В случае неисправности в зоне токовой защиты на одну обмотку силового реле подается напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. Пока вектор мощности направлен в сторону линии, реле мощности освобождает токовую защиту от срабатывания. В противном случае реле мощности будет продолжать препятствовать срабатыванию токовой защиты, когда вектор мощности укажет на неисправность на другой линии.

Сегодня практическая реализация этой защиты осуществляется с помощью микропроцессорного блока REL650 или реле EPZ-1636. Каждый из них уже содержит токоограничивающий автоматический выключатель, устройство дистанционной защиты и пусковое реле для восстановления электропитания.