Часть 1 Замыкания на землю в линиях электропередачи 6-35 кВ. Особенности возникновения и приборы защиты (стр. 10 )

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВЕЛИЧИНЫ И ФАЗЫ ТОКОВ

 

Первый вопрос, который обычно возникает при анализе поведения направленных защит: как влияет переходное сопротивление в месте ОЗЗ на величины и фазы токов, ощущаемых установленными в сети защитами?
Это сопротивление может оказать значительное влияние на выбор уставок защиты, реагирующей на напряжение нулевой последовательности.
Рассмотрим влияние переходного сопротивления на примере схемы по рис. 2, где эквивалентное сопротивление всей сети  определится следующим образом:

 

,  (1)
где Ci – суммарная емкость трех фаз i-го элемента схемы;
n – общее число элементов.

Tок в месте замыкания на землю равен:

 

 , (2)

где Uф - напряжение повредившейся фазы до ОЗЗ;
RП – переходное сопротивление в месте ОЗЗ.

 

Как видно из рис. 3, появление переходного сопротивления в месте ОЗЗ приводит к уменьшению напряжения нулевой последовательности  на сборных шинах и тока промышленной частоты, протекающего в месте ОЗЗ по сравнению с металлическим замыканием, поскольку RП оказывается последовательно включенным с эквивалентным сопротивлением сети . Степень снижения напряжения нулевой последовательности по сравнению с металлическим ОЗЗ рекомендуется характеризовать коэффициентом полноты замыкания .

Его предлагается определять по следующему выражению:

 

 , (3)

 

где RП - переходное сопротивление в месте ЗНЗ;
С – суммарная емкость одной фазы сети;

– комплексное сопротивление, через которое заземляется нейтраль;
RИЗ – сопротивление фазной изоляции.

 

При больших значениях переходного сопротивления в месте ОЗЗ (порядка одного или нескольких килоом, что вполне реально на воздушных ЛЭП), ток, протекающий через защиту поврежденной линии, сильно уменьшится, что может привести к ее отказу в срабатывании. В первую очередь это относится к ненаправленным токовым защитам, имеющим довольно высокий ток срабатывания, с запасом отстроенный от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.
Направленная токовая защита нулевой последовательности обычно гораздо чувствительнее ненаправленной, поскольку её ток срабатывания отстраивается не от собственного емкостного тока линии, а лишь от тока небаланса. Однако при возникновении больших переходных сопротивлений в месте ОЗЗ характеристики некоторых разновидностей защиты могут стать вначале нестабильными из-за снижения напряжения нулевой последовательности (сужается область срабатывания), а затем защита и вовсе откажет.
Величину напряжения основной гармоники нулевой последовательности на шинах при ОЗЗ через переходное сопротивление можно определить как:

 

, (4)

 

Из (4) видно, что с ростом переходного сопротивления уменьшается величина и изменяется фаза напряжения нулевой последовательности относительно фазного напряжения . А поскольку является источником токов нулевой последовательности в неповрежденных линиях и в цепи заземляющего резистора, то одновременно с ним уменьшаются и токи нулевой последовательности в этих присоединениях.

 

 

Рис. 1
Схема сети

Рис. 2
Токораспределение при ОЗЗ в сети при наличии заземляющего резистора
С1, С2, С3 – суммарные емкости относительно земли трех фаз линий Л-1, Л-2, Л-3 соответственно;
R – сопротивление заземляющего резистора;
RП – переходное сопротивление в месте ОЗЗ;

– фазная ЭДС в месте ОЗЗ.

 

 

Рис. 3
Расчетная схема при появлении переходного сопротивления в месте ОЗЗ

 

Отношение напряжения нулевой последовательности на шинах к току нулевой последовательности в любом из присоединений равняется сопротивлению данного присоединения токам нулевой последовательности. Поскольку сопротивления емкостей и заземляющего резистора в процессе ОЗЗ не меняются, то при изменении величины переходного сопротивления останутся неизменными как углы между  и каждого присоединения по соответствующей синусоидальной составляющей сигнала,

 

так и отношение

 

, (5)

 

а также обратное отношение этих величин. Отсюда ясно, что фаза тока в любой неповрежденной линии  относительно напряжения не зависит от переходного сопротивления RП. Ток в поврежденной линии равен сумме токов резистора и неповрежденных присоединений, значит, и он не меняет своего угла относительно.
На основании описанного можно заключить, что при изменении переходного сопротивления области срабатывания направленных токовых защит нулевой последовательности не изменятся.
Описанная закономерность может измениться, если на сборных шинах будут установлены ограничители перенапряжений или разрядники, срабатывающие при ОЗЗ. Однако такой выбор характеристик ОПН, очевидно, следует считать неправильным, т.к. это приведет к их быстрому выходу из строя при ОЗЗ.
Необходимо отметить, что при очень малых значениях сигналов даже направленная защита все-таки работать не будет. Это обусловлено тем, что для отстройки от небалансов должны быть предусмотрены пусковые органы по току и напряжению нулевой последовательности.

Рис. 4
Фазовая характеристика защиты от ОЗЗ

Рис. 5
Фазовые характеристики защиты

Изменения фазовых соотношений сигналов

Второй вопрос звучит следующим образом: как изменяются фазовые соотношения сигналов в направленных защитах при изменении места расположения точки ОЗЗ и режима сети?

Из рис. 2 видно, что ток , ощущаемый защитой поврежденного присоединения, равен

 

, (6)

 

т.е. меньше суммарного тока ОЗЗ  на величину емкостного тока поврежденной линии. Если сопротивление резистора выбрано таким образом, что в нормальном режиме сети активный ток резистора равен полному емкостному току сети, т.е. , где ICΣ=IR, то угол тока  по отношению к напряжению  близок к 45 электрическим градусам (он может несколько отличаться от 45 градусов, например, из-за активных токов утечки по изоляции). Не будем пока рассматривать вопрос относительно того, опережающий это угол или отстающий, поскольку у специалистов нет единого мнения по этому поводу. Рассмотрим этот вопрос подробнее в следующей статье.
В случае если поврежденная линия Л-1 имеет малую длину и небольшой по сравнению с емкостный ток, угол тока по отношению к будет близок к 45 электрическим градусам. Если же емкостный ток линии Л-1 близок в рассматриваемом режиме к суммарному емкостному току сети , то угол тока  по отношению к напряжению близок к 0 электрических градусов. Возможны и промежуточные случаи, т.е. при ICΣ=IR угол тока в защите поврежденной линии может изменяться в пределах от 45 до 0 электрических градусов относительно напряжения. Если , то диапазон изменения соответствующего угла изменится.
Фазовый угол тока в защите неповрежденной линии не зависит от тока заземляющего резистора и остается практически неизменным при любых внешних ОЗЗ.
На рис. 4 приведена фазовая характеристика одной из защиты. По вертикальной оси отложен параметр срабатывания (в рассматриваемом случае – ток  или ток в защите неповрежденной линии), по горизонтальной – фазовый угол между током  и напряжением . Минимальному току срабатывания соответствует «характеристический угол» φхар.
Видно, что при изменении фазового угла между током и напряжением в пределах от –45 до 0 электрических градусов ток срабатывания защиты может сильно изменяться.
Если ток срабатывания защиты в точке А, соответствующей характеристическому углу φхар (равному, например, –45 электрическим градусам), обозначить через IСЗ.MIN, то при нулевом угле между током  и напряжением  ток срабатывания может увеличиться относительно IСЗ.MIN в несколько раз.
В результате при отстройке IСЗ.MIN от небаланса получаем значительное