Что нужно знать о токовой защите нулевой последовательности: определения, характеристика и область применения

Что нужно знать о токовой защите нулевой последовательности: определения, характеристика и область применения

ТЗНП, что является сокращением для понятия «токовой защиты нулевой последовательности» — это защитная система в однофазных сетях с напряжением в 110 киловольт. Короткие замыкания нередкое явление даже в сетях с одной фазой.

Сегодня рассмотрим данный защитный элемент в электрических цепях и принципы его функционирования.

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

• первичной и вторичной обмоток;
• замкнутого сердечника (магнитопровода).

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

ПРИМЕРЫ РАСШИФРОВКИ НАИМЕНОВАНИЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ТМ — 100/35 — трансформатор трёхфазный масляный с естественной циркуляцией воздуха и масла, номинальной мощностью 0,1 МВА, классом напряжения 35 кВ;

ТДНС — 10000/35 — трансформатор трёхфазный с дутьем масла, регулируемый под нагрузкой для собственных нужд электростанции, номинальной мощностью 10 МВА, классом напряжения 35 кВ;

ТРДНФ — 25000/110 — трансформатор трёхфазный, с расщеплённой обмоткой, масляный с принудительной циркуляцией воздуха, регулируемый под нагрузкой, с расширителем, номинальной мощностью 25 МВА, классом напряжения 110 кВ;

АТДЦТН — 63000/220/110 — автотрансформатор трёхфазный, масляный с дутьём и принудительной циркуляцией масла, трёхобмоточный, регулируемый под нагрузкой, номинальной мощностью 63 МВА, класс ВН — 220 кВ, класс СН — 110 кВ;

АОДЦТН — 333000/750/330 — автотрансформатор однофазный, масляный с дутьём и принудительной циркуляцией масла, трёхобмоточный, регулируемый под нагрузкой, номинальной мощностью 333 МВА, класс ВН — 750 кВ, класс СН — 500 кВ.

Газовая защита

Скажу честно, я ни разу не применял полноценную газовую защиту для трансформаторов 6(10)/0,4 кВ, однако, ПЭУ допускает такую возможность.

Иногда в герметичных масляных трансформаторах (типа ТМГ) применяют простое реле давление и его контакт отправляют в терминал защиты. Назвать такую защиту газовой сложно, но по принципу действия они похожи.

В общем будьте готовы увидеть эту защиту на таких трансформаторах, но не сильно удивляйтесь, если ее не будет.

На этом закончим рассмотрение трансформатора и перейдем к защитам и автоматики ввода 6(10) кВ

4.Защита нулевой последовательности на токах высших гармоник.

Так как основной недостаток защит, использующих токи и напряжения НП промышленной частоты, в том, что они не способны работать в сетях с компенсированной нейтралью из-за отсутствия устойчивого полезного сигнала 50 Гц, то были разработаны защиты от однофазных замыканий на землю, реагирующие на высшие гармоники электрических величин. При возникновении дуговых ОЗЗ содержание высших гармонических составляющих в сети резко увеличивается, особенно в токе повреждённой линии, где их доля значительно больше, чем в токах нулевой последовательности неповреждённых линий. Эти процессы наблюдаются в сетях всех видов заземления нейтрали.

Общие недостатки устройств, выполненных с использованием высших гармоник:

— вероятность отказа в срабатывании при ОЗЗ через переходные сопротивления;

— нестабильность состава и уровня высших гармоник в токе НП.

Условия селективности несрабатывания при внешних ОЗЗ и устойчивости срабатывания при внутренних повреждениях для устройств абсолютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присоединений.

Особенности работы ТН в сетях с изолированной и заземленной нулевой точкой

Электрические высоковольтные сети имеют два исполнения: с изолированной нулевой шиной, либо с компенсированной и заземленной нейтралью. Первый режим подсоединения нулевой точки позволяет не отключать сеть при однофазных (ОЗ) или дуговых замыканиях (ДЗ). ПУЭ допускают работу линий с изолированной нейтралью до восьми часов при однофазном замыкании, но с оговоркой, что в это время ведутся работы по устранению неисправности.

Повреждение электрооборудования возможно из-за повышения фазного напряжения до линейного и последующего за этим появления дуги, носящей переменный характер. Независимо от причины возникновения и режима работы это наиболее опасный вид замыканий с большим коэффициентом перенапряжения. Именно в этом случае велика вероятность появления феррорезонанса в сети.

Феррорезонансный контур в силовых сетях с изолированной нейтралью представляет собой цепочку нулевой последовательности с нелинейным намагничиванием. Трехфазный не заземляемый ТН по сути – это три однофазных трансформатора, соединенные по схеме звезда-звезда. При перенапряжениях в зонах, где он установлен, индукция в его сердечнике увеличивается примерно в 1,73 раза, являясь причиной появления феррорезонанса.

Для защиты от этого явления разработаны особые методы:

• изготовление ТН и ТТ с низкой собственной индукцией;
• включение в их цепь дополнительных демпферных элементов;
• изготовление 3-хфазных трансформаторов с единой магнитной системой в 5-тистержневом исполнении;
• заземление нейтрального провода через токоограничивающий реактор;
• использование компенсационных обмоток и т.п.;
• применение релейных схем, защищающих обмотки ТН от сверхтоков.

Эти меры защищают измерительные ТН, но полностью не решают проблему безопасности. Помочь в этом могут заземляемые приборы, устанавливаемые в сетях с изолированной нейтральной шиной.

Характер работы трансформаторов пониженного напряжения в режимах с заземленной нейтралью отличается повышенной безопасностью и существенным снижением феррорезонансных явлений. Кроме того, их использование повышает чувствительность и селективность защиты при однофазном замыкании. Такой подъем становится возможным благодаря тому, что индуктивная обмотка трансформатора включается в цепь заземления и кратковременно увеличивает ток через установленное в ней устройство защиты.

В ПУЭ приводится обоснование допустимости кратковременного заземления нейтрали небольшой индуктивностью обмотки ТН. Для этого в сети используется автоматика, которая силовыми контактами при возникновении ОЗ через 0,5 секунды ненадолго подключает трансформатор к сборным шинам. Благодаря эффекту глухозаземленной нейтрали при однофазном замыкании на землю в защитной цепи начинает течь ток, ограниченный индуктивностью ТН. Вместе с тем его величина достаточна для того, чтобы сработала аппаратура защиты от ОЗ и создала условия для гашения опасного дугового разряда.

7. Ссылки и литература

1. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1987. – 315 с.
2. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. Учебник для вузов. 2-изд. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-310 с.
3. Правила технической эксплуатации электроустановок. Утвержден приказом Минтопэнерго Украины от 25.07.2006 г.
4. ГОСТ Р 52719–2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. – М.: Издательство стандартов, 2007. – 45 с.
5. ГОСТ 12.2.007.0–75. Система стандартов безопасности труда. Издание электротехническое. Общие требования безопасности. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 12 с.
6. ГОСТ 12.2.007.2–75. Система стандартов безопасности труда. Трансформаторы силовые и реакторы электрические. Требования безопасности. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 5 с.

2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

2.2 Трансформатор выполняется с двумя уровнями изоляции «а» или «б» по ГОСТ 1516.3-96.

2.3 Уровень частичных разрядов изоляции первичной обмотки всех трансформаторов не превышает 20 пКл при напряжении измерения 7,62 кВ.

2.4 Класс нагревостойкости трансформатора «В» по ГОСТ 8865-93.

Таблица 1 – Основные параметры трансформатора

Наименование параметра

Значение параметра

Класс напряжения по ГОСТ 1516.3, кВ

Наибольшее рабочее напряжение первичное обмотки, кВ

Номинальное напряжение первичной обмотки (А;В;С;Х), кВ

Номинальное напряжение первой основной вторичной обмотки (a₁;в₁;с₁), В

Номинальное напряжение второй основной вторичной обмотки (a₂;в₂;с₂;о₂), В

Номинальное напряжение дополнительной вторичной обмотки (а_д;х_д), В

Номинальный класс точности основных вторичных обмоток в диапазоне нагрузок 0,0 ÷ 1,0 S_ном:

Номинальные междуфазные трехфазные мощности основных вторичных обмоток, ВА при их одновременной нагрузке при cos φ=0,8:

Номинальный класс точности дополнительной вторичной обмотки (а_д;х_д)

Номинальная мощность дополнительной вторичной обмотки (а_д;х_д) при однофазном замыкании на землю, ВА

Напряжение на выводах дополнительной вторичной обмотки (а_д;х_д), В:

— при симметричном режиме работы сети

— при замыкании одной из фаз на землю

Предельная мощность вне класса точности, ВА:

— первичной обмотки (А,В,С);

— дополнительной вторичной обмотки (а_д;х_д)

Номинальная частота, Гц

Группа соединения обмоток

2.5 Трансформаторы НАЛИ-НТЗ-6-01, НАЛИ-НТЗ-10-01 представляют собой трансформаторы НАЛИ-НТЗ-6, НАЛИ-НТЗ-10 с установленными предохранительными устройствами (номинальный ток предохранителей 0,63 А). Ампер-секундная характеристика приведена на рисунке 1.

2.6 Уровень частичных разрядов (ЧР) изоляции трансформаторов не превышает значений, указанных в таблице 2.

Класс напряжения, кВ

Напряжения измерения ЧР, кВ

Допускаемый уровень ЧР, пКл

2.7 Трансформаторы, предназначенные для использования в системах нормальной эксплуатации АС, относятся к классу 4 по НП-001-97 (ПНАЭГ-01-011).

Трансформаторы, предназначенные для использования в системе важной для безопасности нормальной эксплуатации АС, относятся к классу 3 и имеют классификационное обозначение 3Н по НП-001-97 (ПНАЭГ-01-011).

Трансформаторы, предназначенные для использования в системе безопасности АС, относятся к классу 2 и имеют классификационное обозначение 2О по НП-001-97 (ПНАЭГ-01-011).

3.1 Трансформатор состоит из трехфазного трехстержневого трансформатора прямой (обратной) последовательности и однофазного двухстержневого трансформатора нулевой последовательности, выполнен в виде опорной конструкции. Общий вид трансформатора, габаритные, установочные и присоединительные размеры приведены в приложении А. Корпус трансформатора выполнен из эпоксидного компаунда, который одновременно является главной изоляцией и обеспечивает защиту обмоток от механических и климатических воздействий.

3.2 Выводы первичных обмоток «А, В, С, Х» расположены на верхней поверхности трансформатора. Три вторичные обмотки: первая основная «а₁; в₁; с₁» предназначенная только для коммерческого учета, вторая основная «а₂; в₂; с₂; о₂» предназначенная для измерений и защиты, и дополнительная обмотка «а_д; х_д» – расположены в нижней части трансформатора.

3.3 Принципиальная электрическая схема соединения обмоток трансформатора приведена приложении Б.

3.4 Для защиты от коррозии все соприкасающиеся с окружающим воздухом металлические поверхности трансформатора имеют защитное покрытие.

3.5 На трансформатор устанавливается прозрачная крышка с возможностью пломбирования для защиты вторичных выводов от несанкционированного доступа.

4 АНТИРЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА

4.1 Трансформатор выдерживает однофазные металлические и дуговые замыкания сети на землю (в том числе и через прерывистую дугу) без ограничения длительности.

4.2 Трансформатор не вступает в устойчивый феррорезонанс с емкостями любой сети (в том числе и с емкостями ненагруженных шин).

4.3 Трансформатор выдерживает повышение напряжения, вызванное феррорезонансом между емкостями сети и индуктивностями намагничивания других трансформаторов, как силовых, так и измерительных (в том числе и при опрокидывании фазы напряжения сети).

ВНИМАНИЕ! При опрокидывании фазы напряжения сети на основной частоте возможно длительное повышение фазных напряжений на вторичных обмотках до 3-х кратных значений. В частности, на выводах вторичной дополнительной обмотки (а_д и х_д) возможно повышение напряжения до 300 В частоты 50 Гц.

4.4 Антирезонансные свойства трансформатора обеспечиваются отсутствием несимметрии фазных сопротивлений трансформаторапри любом состоянии первичной сети. Устойчивость трансформатора при опрокидывании фазы сетевого напряжения дополнительно обеспечивается двух-трехкратным снижением номинальной индукции в магнитопроводе трансформатора нулевой последовательности.

4.5 Защитное заземление вторичных цепей основных обмоток трансформаторов напряжения рекомендуется устанавливать на нейтраль звезды Y вторичных обмоток, а защитные автоматы устанавливать в фазных проводах (a, b, c). Устанавливать защитное заземление на выводах фазы b не рекомендуется, во избежание короткого замыкания обмотки фазы b при пробое изоляции нейтрального (нулевого) провода.

5 РАЗМЕЩЕНИЕ И МОНТАЖ

5.1 Трансформатор устанавливают в шкафах КРУ(Н) в соответствии с чертежами этих изделий. Крепление трансформатора на месте установки производится с помощью четырех болтов М12 к швеллерам, на которые установлен трансформатор.

5.2 Провода, присоединяемые к вторичным выводам трансформатора должны быть снабжены наконечниками или свернуты в кольцо под винт М6 и облужены.

5.3 Максимальное сечение проводов, присоединяемых к выводам трансформатора должно быть: Для «А, В, С» — не более 10 мм 2 ; для остальных выводов – не более 4 мм 2 .

5.4 Длина пути утечки внешней изоляции – не менее 230 мм.

5.5 Выбор уставок автомата, установленного во вторичной цепи, должен определяться с учетом токов короткого замыкания, приведенных в таблице 3.

5.6 При монтаже обеспечьте соответствие маркировки вводов А, В и С соответствующим фазам первичной сети и их и прямому чередованию.