а - в нормальном режиме; б - при простом замыкании на землю

Ток замыкания на землю I_эневелик, составляет десятки, редко сотни ам­пер и сеть при наличии замыкания на землю может длительно работать. Однако этот режим таит в себе опасности, основные из которых следующие:

— имеется возможность перехода простого замыкания на землю в двойное, опасное высокими потенциалами на корпусах оборудования;

— в месте повреждения горит дуга. Если замыкание произошло в электриче­ской машине, то дугой может быть повреждена изоляция других фаз и простое замыкание может перейти в междуфазное;

— в месте повреждения обычно возникает перемежающаяся дуга (неустойчи­вая, т.е. периодически гаснущая и зажигающаяся вновь). В результате переход­ного процесса, возникающего при перемежающейся дуге, в неповрежденных фазах возникают перенапряжения, которые могут достигать (2, 5 - 3)U_ф. Эти

перенапряжения распространяются на всю сеть и могут привести к коротким и двойным замыканиям в сети.

3. Сеть с компенсированной (резонансно-заземленной) нейтралью. Учитывая опасность дуги в месте повреждения, стремятся снизить ток замыка­ния до величины, при которой создаются благоприятные условия для самопога­сания дуги.

Достигается необходимое снижение тока замыкания на землю включени­ем в нейтраль источника регулируемой компенсационной катушки L_к (рис.3.3), такую сеть принято называть сетью с компенсированной нейтралью.

При простом замыкании на землю в такой сети через место повреждения протекают емкостной ток I _С, обусловленный емкостью сети, и ток I_L, обу­словленный наличием компенсационной катушки L_к. Эти токи находятся в противофазе, и если регулированием индуктивности добиться условия , то емкостный ток будет полностью скомпенсирован и в месте повре­ждения будет протекать лишь небольшой активный ток I_к, как показано на векторной диаграмме (рис.3.3).

4. Контроль изоляции сетей выше 1000 В. Контроль изоляция сетей вы­ше 1000 В осуществляется чаще всего с помощью трех вольтметров, как пока­зано на рис.3.4. Вольтметры включены через трансформатор напряжения (ТН). Нейтраль первичной обмотки ТН заземлена для возможности измерения на­пряжения между фазами и землей. Вольтметры включены на вторичные фазные напряжения. В нормальном режиме показания вольтметров одинаковы и равны фазным напряжениям. При повреждении одной из фаз показание одного вольт­метра равно нулю, двух других - возрастает в раз.

Кроме двух основных обмоток, соединенных в звезду, имеется третья, фазы которой соединены последовательно (в разомкнутый треугольник). В нормальном режиме напряжение на выходе равно нулю, так как сумма напря­жений симметричной трехфазной системы в любой момент времени равна ну­лю . При замыкании на землю в напряжении сети появляется составляющая нулевой последовательности, которая имеет одинаковое направ­ление во всех фазах, поэтому на выходе разомкнутого треугольника появляется напряжение 3U₀. Номинальное напряжение вторичной обмотки трансформато­ра напряжения, соединенной в звезду, равно 100/ В, обмотки, соединенной в разомкнутый треугольник, - 100/3 В, чтобы при замыкании на землю в сети напряжение на выходе было равно номинальному вторичному 100 В. Таким об­разом, на выходе разомкнутого треугольника измеряется напряжение нулевой последовательности U₀. На выход разомкнутого треугольника в простейшем случае подключается реле напряжения, которое срабатывает при простом за­мыкании на землю в сети и подает звуковой предупредительный сигнал.

Рис. 3.4. Контроль изоляции сетей выше 1000 В с помощью трех вольтметров

Вторичные обмотки трансформатора напряжения заземлены согласно требованиям правил техники безопасности.

5. Способы определения поврежденных линий.

Рис.3.5. Определение поврежденной линии без ее отключения

Емкостный ток в поврежденной фазе неповрежденных линий равен нулю, поврежденной линии -геометрической сумме токов всех присоединений. Как видно из рис.3.5, емкостный ток неповрежденного присоединения, под которым понимается сумма токов всех фаз, направлен к шинам и определяется емкостью данного присоединения.

Емкостный ток поврежденного присоединения направлен от шин и определяется емкостью всей сети за вычетом емкости поврежденного присоединения. Из приведенного выше вытекают два способа определения линии с простым замыканием на землю:

- по направлению суммарного тока нулевой последовательности линии (если линия не повреждена, то ток направлен к шинам, если повреждена - от шин);

- по величине суммарного тока нулевой последовательности (в поврежденном, особенно если присоединений много и их емкости различаются мало, т.е. линии примерно одинаковой длины). В практике применяются защиты, построенные как на первом, так и на втором принципе.

6. Особенности конструкции и режим работы трансформаторов напряжения в сети с изолированной нейтралью. В качестве измерительного трансформатора напряжения для контроля изоляции применяют группу из трех однофазных трансформаторов напряжения типа ЗНОМ, один трехфазный трансформатор напряжения НАМИ или один трехфазный пятистержневой трансформатор напряжения типа НТМИ, схема которого изображена на рис.3.4.

Для контроля изоляции нельзя использовать трехстержневые трансформаторы напряжения, т.к. под действием напряжения нулевой последовательности наводятся потоки нулевой последовательности Ф₀, направленные одинаково во всех трех стержнях, как показано на рис.3.6. Поэтому они замыкаются по путям рассеяния обмоток, воздуху, частично по баку, стяжным болтам и т.д. А это означает, что сопротивление ветви намагничивания для токов нулевой последовательности мало, и при простом замыкании на землю в сети составляющая нулевой последовательности тока намагничивания трехстержневого трансформатора напряжения будет очень большой и может привести к перегреву обмотки и повреждению трансформатора. Отсюда следует, что в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью заземлять нейтрали первичных обмоток трехстержневых трансформаторов нельзя. Поэтому нейтраль их первичной обмотки не выводится, как, например, у трансформаторов напряжения типа НТМК.

Для замыкания потоков нулевой последовательности у НТМИ служат 1-й и 5-й стержни (рис.3.4). Подобных ограничений на применение однофазных трансформаторов нет, т.к. по их магнитопроводам могут замыкаться потоки любой последовательности.

7. Трансформатор тока нулевой последовательности. Для выделения тока нулевой последовательности применяют трансформатор тока нулевой последовательности (ТИП), конструкция и принцип действия которой поясняется рис.3.7. ТИП представляет собой трансформатор тока, у которого в качестве первичной обмотки используются все три фазы линии. В нормальном режиме токи уравновешены, т.е. в любой момент времени соблюдается условие i_A +i_B+i_c=0 и на выходе ТНП I₀ = 0. При возникновении замыкания на землю в токах появляется неуравновешенная система нулевой последовательности, т.е. I _А = I_в = I_с = 3I₀. Эта неуравновешенная составляющая нулевой последовательности, обусловленная емкостными токами, трансформируется во вторичную обмотку, т.е. на выходе ТНП появляется ток 3I'₀.

К выходу ТНП подключаются токовые реле или направление реле (последним необходимо подать также U₀ ), которые сигнализируют о повреждении на линии. Установка ТНП на кабельной линии показана на рис.3.8.

Рис.3.6. Потокораспределение в трансформаторе НТМИ

При установке ТНП следует учитывать возможность возврата токов нулевой последовательности по металлическим оболочкам кабелей I _об. Чтобы устранить влияние этих токов на ТНП, кабельную воронку изолируют, а зазем ляющий провод пропускают сквозь окно ТНП (рис.3.8). При этом ток проходит сквозь ТНП в прямом и обратном направлениях и не трансформируется (не влияет не величину вторичного тока).

8. Реле защиты от замыканий на землю. В качестве реле защиты от замыканий на землю используют специальные реле. В настоящее время выпускается направленное реле типа ЗЗП-IM, к которому подводятся напряжение U₀ и ток 3I'₀ от ТНП отходящих линий. При направлении тока 3I'₀ в линию реле срабатывает, сигнализируя наличие простого замыкания на землю на данной линии.

Описание схемы лабораторного стенда

На лабораторном стенде собрана схема (рис.3.5) подстанции с одним ис­точником, одной системой сборных шин и тремя отходящими кабельными ли­ниями. Емкости кабелей имитируются конденсаторами, подключенными между фазами и землей.

На отходящих линиях установлены ТНП, к шинам подключена группа однофазных трансформаторов напряжения со схемой соединения, как ЗНОМ и НТМИ:

К трансформатору напряжения подключены вольтметры, измеряющие линейное напряжение, и вольтметры контроля изоляции, включенные на фазные напряжения. К обмотке, соединенной в разомкнутый треугольник, подключено реле напряжения для сигнализации и обмотка напряжения реле защиты от замыканий на землю. Токовая цепь этого реле подключена через переключатель, что позволяег подключить его к любой линии.

На лабораторном стенде установлено простейшее направленное реле, ис пользующее в качестве фазочувствительной схемы кольцевой модулятор, а на выходе - магнитоэлектрический индикатор. Реле поочередно может подклю чаться к любой линии. По направлению отклонения стрелки индикатора можно судить о направлении тока нулевой последовательности в линии, а значит и о том, повреждена она или нет. Если индикатор отклоняется в сторону красной шкалы - линия повреждена. Схема реле приводится на рис.3.9. Работу реле предлагается проанализировать самостоятельно. При этом необходимо убедиться, что с изменением направления тока 3I0 изменятся направление постоянного тока в индикаторе. Следует учитывать также, что угол между током 3I'0 и напряжением U0 составляет 90°.

На стенде имеются два переключателя, с помощью которых можно устроить замыкание на землю в любой фазе каждой из трех линий.

Контрольные вопросы

1.Чем опасно простое замыкание на землю в сетях 3-35 кВ?

2. Как осуществляется контроль изоляции в сетях с изолированной нейтралью?

3. Сколько обмоток имеет трансформатор напряжения типа НТМИ? Каково назначение этих обмоток? Зачем заземляется первичная и вторичные обмотки?

4. Почему трансформатор типа НТМИ имеет пятистержневой магнитопровод?

5. Почему трансформатор напряжения типа НТМК не имеет выведенной нейтрали первичной обмотки?

6. Каким способом определить поврежденную линию, если в РУ отсутствуют трансформаторы тока нулевой: последовательности?

7. Каково назначение и устройство трансформатора тока типа ТНП? Как он монтируется на кабелях с металлической оболочкой?

8. Как определяется ток простого замыкания на землю?

9. Что такое сеть с компенсированной нейтралью?

10. При каких токах обеспечивается самопогасание дуги в месте простого замыкания на землю?

11.Почему при простом замыкании на землю не искажается треугольник линейных напряжений?

12.Почему сети 110 кВ и выше выполняются с заземленными нейтралями, а сети 6-35 кВ - с изолированными?

13.Чем опасно двойное замыкание на землю?