Направленные защиты нулевой последовательности для сетей с изолированными или заземленными через дугогасящий реактор нейтралями

Если в установившемся режиме собственный емкостный ток ли­нии I ⁽¹⁾_0л в сетях с изолированной нейтралью соизмерим с полным током замыкания на землю, то токовую защиту, реагирующую на установившееся значение емкостного тока, осуществить нельзя. В таких случаях применяется направленная защита нулевой по­следовательности или устройство сигнализации, контролирующее не только значение, но и направление тока замыкания на землю.

Из анализа векторных диаграмм напряжения и тока нулевой последовательности (см. рис. 6.21) следует, что максимальной чув­ствительностью обладает реле мощности с внутренним углом a = p/2. Поэтому для выполнения защиты требуется синусное ре­ле, подключаемое к фильтрам напряжения и тока нулевой после­довательности. Защита не имеет измерительного органа тока, поэтому для исключения неправильного ее срабатывания реле на­правления мощности отстраивается от мощности небаланса, обу­словленной погрешностями фильтров. Такую защиту можно при­менять и в сетях с нейтралями, заземленными через дугогасящие реакторы; тогда для ее действия при возникновении замыкания на землю необходимо автоматически отключать дугогасящие реакторы или изменятьна них ответвления так, чтобы емкостный ток, про­ходящий по поврежденной линии, оказался достаточным для сра­батывания защиты. Отключать дугогасящие реакторы не требует­ся, если для действия защиты используется не емкостный ток, а активная составляющая тока замыкания на землю, обусловлен­ная потерями в дугогасящем реакторе и активной проводимостью фаз сети. Необходимо отметить, что так как ток компенсации и емкостный ток в поврежденной линии имеют противоположные на­правления, то в перекомпенсированной сети направление тока в по­врежденной и неповрежденной линиях одинаковое, поэтому для действия направленной защиты можно использовать только актив­ный ток, который не превышает нескольких процентов от полного тока реактора. Поэтому реле направления мощности должны об­ладать высокой чувствительностью по углу, а фильтры нулевой по­следовательности — иметь малые погрешности.

В схемах защиты можно использовать индукционные реле на­правления мощности высокой чувствительности. Однако такие ре­ле потребляют большую мощность. Защита же в целом, как показы­вает опыт эксплуатации, работает ненадежно.

Для электросетей, питающих торфоразработки, отечественная промышленность выпускает более совершенную направленную за­щиту от замыканий на землю типа ЗЗП-1 на полупроводниках [48]. Защита имеет малую потребляемую мощность и реагирует на ток замыкания, составляющий I _з=0,07÷2А. Она состоит (рис. 8.10, a), из вторичного измерительного преобразователя тока нулевой по­следовательности в виде промежуточного трансформатора TLA, нагруженного конденсатором C6 (называемого согласующим уст­ройством), двухкаскадного избирательного усилителя переменного тока на транзисторах VT1 и VT2, схемы сравнения фаз на тран­зисторах VT3 и VT4 двух электрических величин, пропорциональ­ных току 3 I ₀ и напряжению 3 U ₀ нулевой последовательности и реагирующего элемента ЕА.

Согласующее устройство преобразует ток 3 I ₀ в напряжение (на конденса­торе С6), сдвинутое по фазе на угол π/2 относительно тока нулевой последова­тельности, позволяет изменять ток срабатывания защиты (изменением числа вит­ков обмотки трансформатора) и обеспечивает термическую стойкость защиты при двойных замыканиях на землю (разрядник VF).

Двухкаскадный усилитель переменного тока выделяет и усиливает составляю­щую промышленной частоты выходного напряжения согласующего устройства. Для этой цели на выходе усилителя включен резонансный контур C2— TL с ча­стотой f ₀ = 50 Гц. Схема сравнения осуществляет сравнение фаз двух синусои­дальных величин: напряжения Ů _б вторичной обмотки трансформатора TL, пропорционального току нулевой последовательности 3 İ ₀ и смещенного по фазе отно­сительно него на угол p/2, и напряжения Ů _к автотрансформатора TLV, пропор­ционального напряжению нулевой последовательности 3 Ů ₀. Сравнивается время совпадения t _сп их мгновенных значений по знаку с установленным временем t _y.Реагирующий элемент ЕА срабатывает при t _c > t _y.

Из векторных диаграмм тока İ ₀ и напряжения Ů ₀ (см. рис. 6.21) следует, что при замыкании на защищаемой линии, когда через защиту к точке замыкания проходит ток 3 İ _0эк , обусловленный емко­стями неповрежденных линий, сравниваемые напряжения Ů _б и Ů _к совпадают по фазе (рис. 8.10, б). На неповрежденной линии ток 3 İ _0л , обусловленный собственной емкостью линии, направлен к ши­нам, а сравниваемые ее защитой напряжения смещены по фазе на угол π (рис. 8.10, е). Из этого следует, что защита срабатывает, имея максимальную чувствительность, если угол j сдвига фаз меж­ду Ů _б и Ů _к равен нулю, и не действует при j = p. Таким образом, зона срабатывания определяется углом сдвига фаз — p/2£j£p/2. На рис. 8.10, б, в она ограничена линией нулевой чувстви­тельности.

Схема сравнения является двухполупериодной. На ее выходе включен реаги­рующий элемент ЕА в виде поляризованного реле. Ток в обмотке реле в один из полупериодов определяется состоянием транзистора VT3 и диода VD3, а в другой полупериод — состоянием транзистора VT4 и диода VD4. Для про­хождения тока необходимо, чтобы в первом случае одновременно были открыты VT3 и VD3, а во втором — VT4 и VD4. Состояние транзисторов и диодов зави­сит от полярностей мгновенных напряжений u _б и u _к. Они открыты, если эти на­пряжения имеют одинаковую полярность. При совпадающих по фазе, Ů _б и Ů _к (рис. 8.10, б) в течение одного из полупериодов открыты VT3 и VD3, а в течение другого — VT4 и VD4. При этом ток в отмотке реагирующего элемента ЕА мак­симален. По мере увеличения угла сдвига фаз между Ů _б и Ů _к время совместного открытого состояния соответствующих транзистора и диода в каждом полуперио­де сокращается, поэтому среднее значение тока в обмотке ЕА уменьшается. Для получения указанной выше зоны срабатывания ток срабатывания реагирующего элемента выбран равным среднему значению тока при j = p/2.

Имеются также разработки ряда устройств, которые определя­ют поврежденное присоединение по знаку первого полупериода тока переходного процесса. Как отмечалось (см. § 6.12), в первый момент переходного процесса направления тока и напряжения ну­левой последовательности в поврежденной линии совпадают, а в неповрежденной они противоположны. Это различие используется для выполнения защиты с реле тока, имеющим тормозную обмот­ку, включенную на напряжение нулевой последовательности.

Применяются также схемы, в которых сочетаются ток переход­ного процесса и напряжение нулевой последовательности промыш­ленной частоты.

Разработано устройство сигнализации замыканий на землю с импульсным реле направления мощности, которое осуществляет селективный выбор повреж­денного участка при однофазных замыканиях на землю путем контроля вавравления распространения разрядных электромагнитных волн, возникающих в на­чальной стадии переходного процесса и связанных с разрядом на землю емкости поврежденной фазы.