Одним из устройств, применяемых для защиты ЛЭП с напряжением 110 кВ, является токовая направленная защита нулевой последовательности (сокращенно – ТНЗНП).
Эти линии электропередач выполняются с эффективно заземленной нейтралью. В отличие от сетей 6-35кВ, у которых нейтраль изолирована, токи замыкания на землю достаточно большие, что вызывает необходимость фиксировать их и отключать с минимально возможной выдержкой времени. Но для этого нужно не просто определить факт наличия в системе замыкания на землю, но и найти линию, на которой оно произошло. Для этого такие защиты и делаются направленными.
Токи нулевой последовательности
Систему трехфазных токов и напряжений можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы этих токов (напряжений) в нормальном режиме сдвинуты друг относительно друга в пространстве на одинаковый угол, равный 120 градусов. При этом полученная диаграмма является еще и вращающейся относительно условного наблюдателя: сначала мимо него проходит вектора фазы «А», затем «В», потом «С». И так – по кругу. Эту диаграмму принято называть системой токов (напряжений) прямой последовательности.
Если поменять порядок прохождения векторов с А-В-С на С-В-А, получается обратная последовательность. В обоих случаях неизменным остается одно: между векторами разных фаз сохраняется угол в 120 градусов.
Ток или напряжение нулевой последовательности получается, если все эти векторы сложить между собой. Для этого, если вспомнить геометрию, нужно начало второго вектора совместить с концом первого, затем так же добавить к нему третий. Поскольку угол между ними остается равным 120 градусов, то получим равносторонний треугольник, система замкнется. Результирующий вектор, определяющий сумму всех слагаемых, будет равен нулю. Он должен быть проведен от начала первого суммируемого вектора к концу последнего.
Но так будет только при отсутствии в системе замыканий на землю. При междуфазных увеличиваются векторы токов одновременно в двух фазах, а то и во всех трех. Сложение их между собой даст все тот же ноль. Поэтому такие еще называют симметричными.
Интересное видео о работе ТЗНП смотрите ниже:
Что такое обрыв нуля?
Для полноценного ответа на этот вопрос необходимо привести примеры штатной работы трехфазной схемы ввода электроснабжения. В качестве примера приведем упрощенный вариант с вводом для этажного распределительного щита.
Схема 1. Штатная работа системы
Как видно из рисунка, каждая из квартир на этаже запитана от отдельной фазы (L1 – L3) и общего нуля. Что формирует в бытовой сети каждой квартиры фазное напряжение 220 вольт (L1N=L2N=L3=220 В.). В данном случае используется схема питания TN-C-S, где задействована шина заземления PE, соединяемая в РУ здания с нулем. Приведенная система сбалансированная, поскольку ток нагрузки в фазных проводах суммируется через нулевую линию, что снижает вероятность перекоса фазных напряжений.
Заметим, что полностью исключить данное явление довольно сложно, поскольку сопротивление нагрузок на каждой фазе может различаться. К примеру, в квартире_1 включен кондиционер и стиральная машина, в квартире_2 хозяин запустил бойлер и электропечку, а в квартире_3 жильцы отсутствуют и все бытовые приборы отключены от сети. По итогу, в трехфазной системе питания возникнет несимметрия напряжений.
Теперь рассмотрим работу сети в нештатном режиме, когда происходит отгорание нуля.
Защита на токах нулевой последовательности
Но при наличии замыкания на землю нулевая последовательность токов выходит из равновесия. Появляется результирующий ток, на который и реагирует релейная защита.
В системах с изолированной нейтралью для выделения этих токов используется специальный трансформатор, надеваемый на кабель.
На ЛЭП — 110 кВ это выполнить невозможно и токи замыкания на землю определяются по другому принципу. Для этого на обычных трансформаторах тока, использующихся для релейной защиты, выделяется отдельная обмотка на каждой фазе. Обмотки фаз соединяются между собой последовательно особым способом: начало следующей соединяется с концом предыдущей. В эту же цепь включаются и токовые обмотки реле.
Обычно защищаемый участок разделяется на участки (зоны), примерно, как у дистанционной защиты. Сама защита выполняется многоступенчатой. Ток срабатывания первой ступени максимальный, выдержка времени – минимальна или равна нулю. Следующая ступень срабатывает при меньшем токе, но с большей выдержкой по времени. И так далее.
На другом конце линии установлена такая же защита. А линий может быть много. Наличие ступеней позволяет обеспечить отключение именно участка с повреждением, а также – резервировать другие защиты в случае их отказа.
Причины возникновения обрыва нуля
Причин достаточно много — это обрыв нейтрали на подстанции, в домовых и подъездных щитах, неопытность электриков, отсутствие обслуживания электросетей и далее. Основной причиной обрыва нейтрали — это некачественное крепление провода.
При слабом креплении нейтрали провод нагревается, окисляется (что увеличивает сопротивление перехода нейтраль — корпус) и перегорает. Также возможно обгорание нейтрали при использовании больших номиналов предохранителей.
Нередко обрывается нейтраль при сильных порывах ветра, обледенений, ремонтных работах и т. д. Как видно имеется масса причин обрыва нейтрали. Чтобы избежать последствий от этой неисправности нужно выбрать правильный вариант защиты.
Напряжение нулевой последовательности
Имея в наличии только информацию о токах нулевой последовательности, невозможно определить, где произошло КЗ: в самой линии, или «за спиной». В противоположном от линии конце находится либо распределительное устройство с другими подключенными к нему ЛЭП, либо трансформаторы. У них есть своя собственная защита, которая лучше разберется в ситуации.
Для того, чтобы определить направление на замыкание на землю, потребуется информация о напряжении нулевой последовательности. Оно берется с особых обмоток трансформаторов напряжения, соединенных в разомкнутый треугольник.
Это тоже векторная сумма, но не токов, а фазных напряжений. Она равна нулю в нормальном режиме и при симметричных КЗ, но при однофазных имеет определенную величину.
Далее в дело вступает реле направления мощности. На одну его обмотку подается напряжение нулевой последовательности, а на другую – ток, использующийся для работы земляной защиты. Срабатывание происходит при таком угле между этими величинами, когда мощность направлена в линию. В других случаях, при «за спиной», отсутствие срабатывания этого реле блокирует работу защиты.
Последствия обрыва нуля в трехфазной сети
Расскажу случаи из жизни.
- Электрики ремонтировали ввод в подъезд. И во время ремонта на несколько секунд был отключен рабочий ноль. Произошло очень неприятное: вернувшись домой вечером, люди обнаружили, что у них погорели телевизоры, холодильники, зарядки, и т.п. – то, что у нас постоянно включено в розетки. Хорошо, что ещё не произошел пожар.
- Пришёл по вызову, жалоба – плавает напряжение. Меряю напряжение (всё выключено) – почти 300 вольт. Затем при включении лампы накаливания напряжение падает до 70В… Оказалось, в этажном щитке выгорел болт, на который приходит ноль. Произошел обрыв нуля, перекос фаз, напряжения пошли вразнос. Заменил болт, восстановил контакт, напряжение нормализовалось.
Болт нуля. Ржавый, периодически не контачит. Если его менять без отключения, 100% в подъезде погорит техника!
Статья, как я менял там электрощиток – тут.
Меня вызывали в рекламно-издательскую фирму. По предварительным оценкам, ущерб более 100 тыс.руб., а всё из-за плохого контакта на нулевой шине:
Отгорание нуля от нулевой шины
Нулевой провод отгорел от второго болта. Видно, как он отвалился под натяжением. Прежде, чем отвалиться, он ПОЧТИ переплавил изоляцию фазных проводов (вертикальные, красный и белый).
Сервер ещё не включали, возможно, интеллектуальный ущерб будет больше…
Как видно, такие проблемы происходят из-за неправильных действий “электриков” либо из-за самопроизвольного обрыва (отгорания) нулевого провода в старом жилом фонде.
В этой статье подробно расскажу, почему такое бывает и как с этим бороться.
Токи небаланса
Правильное сложение токов возможно только в случае полной идентичности характеристик трансформаторов тока. На этапе проектирования для защиты обязательно выбираются одинаковые обмотки трансформаторов с одинаковым классом точности, кратностью насыщения.
Кроме того, в цепи этих обмоток не должны быть включены другие устройства или приборы, нарушающие симметрию их нагрузки.
Но и этого может оказаться недостаточно. Если при всем при этом характеристики намагничивания оказываются разными, ток небаланса все-таки появляется. Если в нормальном режиме он не приводит к ложному срабатыванию защиты, то при симметричных КЗ, когда токи становятся в несколько раз большими, ток небаланса существенно возрастет.
Поэтому при замене трансформаторов тока, если не удается подобрать аналог для одного из них с полным соответствием вольт-амперных характеристик, то лучше сменить не один или два, а все три.
Как это работает
Принцип работы ТЗНП заключается в отключении коммутационной аппаратуры в случае однофазных замыканий с определенной выдержкой времени. Задержка времени нужна для организации селективности защит на разных трансформаторных подстанциях.
Пример схемы токовой защиты нулевой последовательности изображен на рисунке ниже:
В ней используется токовое реле КА и реле мощности KW. Для контроля тока по фазам в ТЗНП используются трансформаторы тока (ТТ). Это специальные измерительные трансформаторы надеваются на шину или провод. На его обмотках наводится ЭДС пропорциональное току, протекающему через жилу или шину.
Одним из главных условий корректной работы ТЗНП является то, чтобы у ТТ были одинаковые кривые намагничивания. Это значит, что они должны быть не просто одинаковы по входным и выходным характеристикам, но и быть одной марки. Кроме того, стоит отметить, что погрешности их выходных параметров не должны быть больше 10 процентов. Их вы видите на картинке ниже.
Чтобы получить токи выведенной из баланса системы сигнал пропускают через фильтр. В реальном применении соединяют обмотки трансформаторов между собой. Это называют фильтром токов нулевой последовательности.
В нормальном состоянии электросети токи нулевой последовательности равны нулю, соответственно Iвыходные фильтра ТЗНП тоже равны нулю. В аварийном режиме, при КЗ, выходной ток отличен от нуля. Остальные части ТЗПН настраиваются таким образом, чтобы исключить ложные срабатывания под определенный ток КЗ.
Если ранее токовая защита нулевой последовательности представляла собой релейные схемы, то в настоящее время выпускаются микропроцессорные терминалы для защитных цепей. То есть, современная ТЗНП может выполняться на микроконтроллерных схемах.
Рассмотренная система используется в качестве резервной защиты. Благодаря её свойствам можно достичь селективность срабатывания, где РЗиА каждой последующей ТП срабатывает быстрее, чем на предыдущей. Защита нужна чтобы минимизировать дальнейшие повреждения ЛЭП, трансформаторов, генераторов, а также, чтобы обезопасить окружающую среду и людей, которые могут попасть в опасную зону.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:
Теперь вы знаете, что такое токовая защита нулевой последовательности, как она работает и для чего нужна. Если возникли вопросы, обязательно задавайте их в комментариях под статьей!
Реализация защит ТЗНП
Широко применялись еще с советских времен панели защит ЛЭП-110 кВ на базе электромеханических реле, например ЭПЗ-1636. В ее состав, кроме ТЗНП входит еще дистанционная защита и токовая отсечка.
Однако электромеханические реле эксплуатирующихся панелей давно выработали свой ресурс, а точечная их замена не всегда приводит к надежным результатам.
Поскольку со времен разработки данной релейной техники прогресс уже ушел далеко вперед, старое оборудование целиком меняется на панели или шкафы, включающие в себя микропроцессорные терминалы релейных защит.
