Ток нулевой последовательности что это

Токи нулевой последовательности и токи третьей гармоники

12+. Сетевое издание «Elec.ru». Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (РОСКОМНАДЗОР). Свидетельство о регистрации серия Эл №ФС77-74766.
Учредитель ООО «Элек.ру». Главный редактор Полосков Сергей Иванович. Контакты редакции: info@elec.ru, +7 (495) 587-40-90. © «ELEC», © «ELEC.RU» — Зарегистрированные товарные знаки.

Вся представленная на сайте информация, касающаяся технических характеристик, наличия на складе, стоимости товаров, носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437(2) Гражданского кодекса РФ. © ООО «Элек.ру» 2001—2023 гг.

7.3. Токовая направленная защита нулевой последовательности

Нулевая последовательность фаз. Согласно теории симметричных составляющих любую несимметричную систему трех токов или напряжений — обозначим их А, В, С — можно представить в виде трех систем прямой, обратной и нулевой последовательностей фаз (рис. 7.9, а — в). Первые две системы симметричны и уравновешены, последняя симметрична, но не уравновешена.

Система прямой последовательности (рис. 7.9, а) состоит из трех вращающихся векторов А₁, В₁, С₁, равных по значению и повернутых на 120° относительно друг друга, причем вектор В₁ следует за вектором А_1.

Система обратной последовательности (рис. 7.9, б) состоит также из трех векторов А₂, В₂, С₂, равных по значению и повернутых на 120° относительно друг друга, но при вращении в ту же сторону, что и векторы прямой последовательности, вектор В₂ опережает вектор А₂ на 120°.

Система нулевой последовательности (рис. 7.9, в) состоит из трех векторов А₀ = В₀ = С₀ совпадающих по фазе.

Очевидно, что сложение одноименных векторов этих трех систем дает ту несимметричную систему, которая была разложена на, ее составляющие:

В качестве примера сложение векторов фазы С выполнено на рис. 7.9,г-Существует и метод расчета сим-метричных составляющих, согласно которому составляющая нулевой последовательности

А₀ =

Таким образом, для нахождения А.0 надо геометрически сложить три составляющие вектора и взять одну треть от суммы.

Целесообразность представления несимметричных систем тремя симметричными составляющими состоит в том, что анализ и расчеты напряжений и токов для системы нулевой последовательности могут выполняться независимо от систем прямой и обратной последовательностей, что во многих случаях упрощает расчеты.

Включение же зашит на составляющие нулевой последовательности даёт ряд преимуществ по сравнению с включением их на полные токи и напряжения фаз для действия при КЗ на землю.

Практическое использование составляющих нулевой последовательности. Рассмотрим металлическое замыкание фазы А на землю в сети с эффективно заземленной нейтралью (рис.7.10,а). Этот вид повреждения относится к несимметричным КЗ и характеризуется тем, что в замкнутом контуре действует ЭДС Е_А, под действием которой в поврежденной фазе А проходит ток I_А = I_К, отстающий от Е_A на 90°; напряжение фазы А относительно земли в месте повреждения (точка К) U_Ak = 0 так как эта точка непосредственно соединена с землей; токи в неповрежденных фазах I_B и I_C отсутствуют. С учетом сказанного на рис. 7.10, б построена векторная диаграмма для точки К.

На рис. 7.10, в и г приведены векторные диаграммы напряжений и токов, построенные с помощью симметричных составляющих для того же случая однофазного КЗ.

Сравнение диаграммы, представленной на рис. 7.10, б, с диаграммами рис. 7.10, в и г показывает, что вектор I_К равен вектору 3I₀, а – E_A = U_Bk + U_Ck = 3U_ok. Значит, полный ток фазы в месте повреждения может быть представлен утроенным значением тока нулевой последовательности, а ЭДС — Е_А утроенным значением напряжения нулевой последовательности.

Практически ток нулевой последовательности получают соединением вторичных обмоток трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности (рис. 7.11). Из схемы видно, что ток в реле КА равен геометрической сумме токов трех фаз:

Ток в реле появляется только при однофазном или двухфазном КЗ на землю. Короткие замыкания между фазами являются симметричными системами, и соответственно этому ток в реле I_P — 0.

Для получения напряжения нулевой последовательности вторичные обмотки трансформатора напряжения соединяют в разомкнутый треугольник (рис. 7.12) и обязательно заземляют нейтраль его первичной обмотки. В этом случае

В нормальном режиме работы и КЗ между фазами (без земли) геометрическая сумма напряжений вторичных обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник, равна нулю, и поэтому U_p также равно нулю (рис. 7.12, б) И только при однофазных (или двухфазных) КЗ на землю на зажимах разомкнутого треугольника появляется напряжение U_p = ЗUо (Рис- 7.12, в);

Фазные напряжения систем прямой и обратной последовательностей образуют симметричные звезды, и поэтому суммы их векторов в схеме разомкнутого треугольника всегда равны нулю.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали около 80% повреждений связано с замыканиями на землю. Для зашиты оборудования применяют устройства, реагирующие на доставляющие нулевой последовательности.

Схема и некоторые вопросы эксплуатации токовой направленной защиты нулевой последовательности. Принципиальная схема защиты показана на рис. 7.13. Пусковое токовое реле КА, включенное на фильтр токов нулевой последовательности, реагирует на появление КЗ на землю, когда в нулевом проводе проходит ток 3I₀.

Реле мощности КW фиксирует направление мощности КЗ, обеспечивая селективность действия: защита рабо-тает при направлении мощности КЗ от шин подстанции в защищаемую линию. Напряжение ЗU₀ подводится к реле мощности от обмотки разомкнутого , треугольника трансформатора напряжения (шинки ЕV.Н, ЕV.К).

Реле времени КТ создает выдержку времени, необходимую по условию селективности.

На рис. 7.14 показано размещение токовых направленных защит нулевой последовательности в сети, работающей с заземленными нейтралями с обеих сторон рассматриваемого участка. График характеристик выдержек времени построен по встречно-ступенчатому принципу. Из графика видно, что каждая защита отстраивается от защиты смежного участка ступенью времени ∆t = t₁ – t₃.

Значение тока срабатывания пускового токового реле выбирается по условию надежного действия реле при КЗ в конце следующего (второго) участка сети, а также по условию отстройки от тока небаланса.

Появление тока небаланса в реле связано с погрешностью трансформаторов тока, неидентичностью трансформаторов тока, неидентичностью их характеристик намагничивания и имеет решающее значение. Чтобы не допустить действия пускового токового реле от тока небаланса, ток срабатывания реле принимают больше тока небаланса. Ток небаланса определяется для нормального рабочего режима или для режима трехфазного КЗ в зависимости от выдержки времени защиты.

При наличии в защищаемой сети автотрансформаторов, электрически связывающих сети двух напряжений, однофазное или двухфазное замыка­ние на землю в сети среднего напряже­ния приводит к появлению тока I₀ в линиях высшего напряжения. Чтобы избежать ложных срабатываний защит линий высшего напряжения, уставки их защит но току срабатывания и выдержкам времени согласуют с уставками защит в сети среднего напряжения. По указанной причине избегают. как правило, заземления нейтралей обмоток звезд высшего и среднего напряжений у одного трансформатора. Заметим также, что у трансформатора со схемой соединения звезда -треугольник замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает появления тока I₀ на стороне звезды.

Ток I₀ появляется в линиях при неполнофазных режимах работы участков сетей. Такие режимы могут быть кратковременными и длительными. От кратковременных неполнофазных режимов, возникающих, например, в цикле ОАПВ линии, а также АПВ при неодновременном включении трех фаз выключателя защиты отстраиваются по току срабатывания или выдержки времени защит принимаются больше, чем время t_ОАПВ. При возможных неполнофазных режимах работы линий (например, при пофазном ремонте под напряжением) токовые направленные зашиты нулевой последовательности ремонтируемой линии и смежных участков должны проверяться и отстраиваться от несимметрии или выводиться из работы, так как они мало приспособлены для работы в таких условиях.

В процессе эксплуатации токовых защит нулевой последовательности должны строго учитываться все заземленные нейтрали автотрансформаторов и трансформаторов, являющиеся как бы источниками токов нулевой последовательности. Распределение тока I₀ в сети определяется исключительно расположением заземленных нейтралей, а не генераторов электростанций.

Контроль исправности цепей напряжения разомкнутого треугольника осуществляется с помощью вольтметра, периодически подключаемого с помощью кнопки SВ (см. рис. 7.12). Вольтметр измеряет напряжение небаланса, имеющего значение 1- 3 В. При нарушении цепей показание вольтметра пропадает.

Наряду с рассмотренной токовой направленной защитой нулевой последовательности широкое распространение в сетях 110 кВ и выше получили направленные отсечки и ступенчатые защиты нулевой последовательности. Наиболее совершенными являются четырехступенчатые защиты, первая ступень которых обычно выполняется без выдержки времени. Первая и вторая ступени зашиты предназначены для действий при замыканиях на землю в пределах защищаемой линии и на шинах противоположной подстанции. Последние ступени выполняют в основном роль резервирования.

Трансформатор тока нулевой последовательности

Повреждение изоляционного слоя электрооборудования – опасная ситуация, способная привести к поражению обслуживающего персонала током. Для исключения подобных рисков необходимо использовать специальные устройства защиты, к числу которых относятся трансформаторы тока нулевой последовательности. Их задача – фиксация соответствующих токов или отклонений от баланса силовой магистрали. Разрушение изоляции, сопряженное с замыканием фазы, мгновенно фиксируется, подается команда на отключение линии, что позволяет обойтись без серьезных негативных последствий.

Токи нулевой последовательности: понятие

Токи нулевой последовательности в большинстве силовых сетей возникают, в основном из-за того, что происходит замыкание фазы на землю. Формирование токов характерно не только для потенциально опасных ситуаций, но и для нормальных режимов функционирования, причем они оказываются очень выраженными, из-за чего активируются защитные модули.

Для трехфазных сетей, использующих переменное напряжение, характерно множество рабочих режимов, к категории которых относятся и несимметричные. Чтобы рассчитать подобные режимы, необходимо пользоваться технологией симметричных вводных, где фазные токи и напряжения выражены как сумма, где учтены все последовательности.

Автоматические и релейные защитные комплексы, как правило, строятся на прямых и нулевых последовательностях. Первые формируются токами и напряжениями синусоидальной формы, выраженность которых идентична и не зависит от фазы. Нечто похожее характерно и для нулевых последовательностей.

При симметричной работе фазные токи и напряжения должны характеризоваться исключительно прямой последовательностью, отклонение от этой нормы указывает на серьезную аварию и предполагает необходимость в экстренном обесточивании некоторых сетевых сегментов.

Трансформаторы тока нулевой последовательности с технической точки зрения являются устройствами, задача которых – фиксация токов в конкретный момент времени. Если сравнить их с прочими категориями трансформаторов, то они характеризуются особыми рабочими алгоритмами и принципами. Базовая функция – фиксация утечек токов, пропадания фазы в 3-фазных линиях. Формирование токовой асимметрии в проводниках указанных кабелей приводит к появлению сигналов, которые и фиксируют трансформаторы тока. Далее этот сигнал передается на механизм управления, обесточивающий линию для исключения негативных последствий.

С учетом сказанного выше можно сделать вывод, что основа функционирования трансформаторов нулевой последовательности – выделение сигналов управления из токов нулевой последовательности, если происходит замыкание фазы на землю. Устройства в полной мере подходят для систем, где нейтраль укомплектована дополнительной изоляцией, либо применены защитные комплексы на реле. Настроить подобные реле удастся с максимальной точностью, что исключит ложные срабатывания или, как минимум, сделает их количество незначительным.

Классификация и характеристики

Трансформаторы тока нулевой последовательности представлены множеством версий. В первую очередь, классифицировать их можно по основным рабочим показателям, к числу которых относится следующее:

номинальная частота токов;

напряжение, превышающее номинал, которое устройство может выдержать без повреждений;

допустимое количество подключаемых кабелей.

При подборе трансформаторов тока также обязательно нужно учитывать их корпусное исполнение. При эксплуатации в сложных условиях, предполагающих высокую вероятность контакта с влагой, механических воздействий, необходимо использовать оборудование, укомплектованное корпусами из прочного полимера, сделанными по технологии литья. Они гораздо прочнее, в сравнении со штампованными аналогами, на них отсутствуют швы и другие слабые места, где концентрируется нагрузка, может произойти разрушение.

Диаметр центрального отверстия должен превышать диаметр кабеля, установленного в устройстве. Кабель или кабельные группы, при этом должны размещаться строго по центру, для дополнительной точности позиционирования можно использовать хомуты или другие элементы. Только в случае такого размещения можно добиться четкой фиксации токов, эффективной работы устройства, отсутствия ложных срабатываний и других проблем.

Токовая защита нулевой последовательности

В сетях высокого напряжения любой тип неисправности может нарушить нормальную работу электроустановок. Распространенной неисправностью является замыкание на землю, которое представляет угрозу для жизни человека из-за потенциального повреждения, а также для оборудования из-за нарушения симметрии сети. Для предотвращения возможных последствий таких неисправностей на подстанциях и другом оборудовании используется токовая защита нулевой последовательности (ТЗНП).

Что такое нулевая последовательность?

Подавляющее большинство сетей питается от трехфазной системы. Она характеризуется тем, что каждая фаза сдвинута на 120º.

Если геометрически сложить предложенные векторы, то результат сложения будет равен нулю в нулевой точке. Это означает, что в системах 110 кВ, 10 кВ и 6 кВ, характеризующихся заземлением нейтрали трансформатора, при нормальных условиях эксплуатации ток в нейтральной точке отсутствует. Следует также отметить, что геометрически вращение фазы можно разделить на следующие типы.

• Прямая последовательность, где последовательность фаз выглядит как A — B — C.
• Инвертированные последовательности, в которых последовательность будет C — B — A.
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига составит 120º. Нулевая последовательность отличается от двух других, показывая, что векторы имеют одинаковое направление, но пространственное смещение между ними составляет 0º. Аналогичная ситуация может возникнуть в случае однофазного короткого замыкания, когда токи в оставшихся двух фазах текут к нулевой точке. Такая ситуация также может наблюдаться при фазных замыканиях, когда две из фаз, помимо перекрытия, также достигают земли, и ток только одной фазы будет протекать через ноль.

При трехфазном замыкании ток в нейтральной точке обмотки не протекает, несмотря на замыкание. Это происходит потому, что токи и напряжения нулевой последовательности все еще не существуют. Даже в этом случае фазные напряжение и ток могут увеличиться в несколько раз по сравнению с номинальным напряжением и током.

Принцип работы ТЗНП

Принцип работы почти всех защитных реле, предотвращающих возникновение токов нулевой последовательности, аналогичен.

Вариант, включающий Т-образное реле тока, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока (ТТ), соединенного звездой. В этом случае нейтраль звездообразной обмотки трансформатора отфильтрует компоненты нулевой последовательности, если они возникнут. Пока система симметрична, обмотки Т-реле будут обесточены. Если на одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это и заставит ток протекать через нейтраль. Это будет элемент нулевой последовательности, который вызывает подачу напряжения на обмотку Т-реле.

За этим следует временная задержка, определяемая параметрами реле B. По истечении времени токовая защита посылает сигнал на соответствующее распределительное устройство U, которое затем отключает трехфазную сеть. Более сложные варианты схем могут также включать силовое реле, которое позволяет осуществлять направленную регулировку защиты.

В случае межфазного замыкания симметрия не нарушается, изменяется только величина тока. Вместо этого ТТ будет продолжать компенсировать ток, протекающий в нейтральной линии. Преимуществом такого расположения является то, что при максимальных рабочих токах защита все равно не сработает, так как симметрия будет сохранена.

Однако, если магнитные параметры измерительного трансформатора значительно отличаются, в системе возникнет дисбаланс и по нейтральной линии потекут несимметричные токи. Это может привести к неправильному срабатыванию токовой защиты даже в сетях, где поддерживается номинальное питание.

Правила выбора трансформаторов тока.

Для уменьшения дисбаланса, влияющего на правильное срабатывание токовой защиты, необходимо выбирать трансформаторы тока, вторичные токи которых не вызывают перегрузки по току. Для этого они должны соответствовать следующим требованиям.

• Имеют одинаковую кривую гистерезиса.
• Вторичные цепи одинаково нагружены.
• Ошибка на границе сети не должна превышать 10%.

В их вторичных цепях нельзя подключать другие нагрузки, которые в противном случае исказили бы кривую намагничивания хотя бы одного ТТ. Поэтому на практике рекомендуется в случае симметричного тока отключения системы заменять все три трансформатора одновременно, а не только один или два.

Область применения

Системы защиты по току, способные реагировать на нулевую последовательность, широко используются в линиях с заземленной нейтралью. Это связано с тем, что они имеют самые высокие токи повреждения. Однако его установка в случае изолированной нейтрали нецелесообразна, поэтому устройства РПН не используются. Сегодня широко используются защитные прерыватели замыканий на землю на подстанциях.

• на сборных шинах региональных подстанций для защиты электрооборудования.
• в трансформаторах, выключателях и распределительных устройствах на всех подстанциях.
• Цепи тока в крупных промышленных объектах с трехфазным оборудованием электроснабжения.

Выбор уставок для ТЗНП

Для обеспечения лестничного принципа защиты от отключения линии устройства токовой защиты, контролирующие возникновение нулевой последовательности в цепи, должны работать селективно. Здесь под селективностью понимается последовательное отключение определенных участков цепи для поиска неисправностей или изоляции разрывов, в зависимости от важности цепи. Для этого для защитных устройств выбираются соответствующие уставки срабатывания. Рассмотрим пример выбора уставки в таком сценарии.

Как видите, в данном случае LPCB срабатывает по тому же принципу, что и защита от сверхтока, но с меньшей выдержкой времени. В данном примере каждая последующая ступень защиты имеет большую выдержку времени Δt, чем предыдущая. это означает, что время срабатывания первой ступени токоограничения по сравнению со второй будет рассчитываться по формуле. t1 = t2+ Δt. время срабатывания второй и третьей будет t2 = t3+ Δt. таким образом, каждое последующее реле имеет функцию резервной защиты.

Если обмотки инвертора коммутируются в системе «звезда-треугольник», а также «звезда-звезда», TDC первичной и вторичной цепей не совпадают. Поскольку короткое замыкание в высоковольтной линии не обязательно приводит к появлению компонентов нулевой последовательности в низковольтной обмотке и питаемой ею цепи. Поскольку избирательность ОЗПП для каждого из них должна устанавливаться независимо, на практике важно обеспечить их независимую работу.

Эта система поэтапной защиты помогает минимизировать дальнейшую передачу неисправностей на другие части сети и электрооборудование. Это также помогает оградить людей, управляющих этими устройствами, от опасности. Основным требованием к токовой защите является предотвращение неправильного включения по отношению к соответствующей зоне отключения.

Практическая реализация ТЗНП

Сегодня защита от токов нулевой последовательности может быть реализована с помощью микропроцессорных устройств и реле. В большинстве случаев устаревшие реле обычно заменяются более новыми версиями защиты по току. Однако в дополнение к LPCB устанавливаются дистанционная, дифференциальная защита и другие устройства. Их работа основана как на симметричных компонентах, так и на других параметрах сети.

Кроме того, в своем классическом варианте LMLB не может определить местоположение разломов. То есть, ему не важно, в какой момент произошел сбой. Поэтому для определения направления протекания тока на землю используется направленная защита. Такая система обнаруживает не только ток, но и напряжение, создаваемое нулевой последовательностью. Эти значения обеспечиваются трансформаторами напряжения, подключенными в системе открытого треугольника.

В случае неисправности в зоне токовой защиты на одну обмотку силового реле подается напряжение, а на вторую обмотку поступает ток нулевой последовательности, используемый для токовой защиты. Пока вектор мощности направлен в сторону линии, реле мощности освобождает токовую защиту от срабатывания. В противном случае реле мощности будет продолжать препятствовать срабатыванию токовой защиты, когда вектор мощности укажет на неисправность на другой линии.

Сегодня практическая реализация этой защиты осуществляется с помощью микропроцессорного блока REL650 или реле EPZ-1636. Каждый из них уже содержит токоограничивающий автоматический выключатель, устройство дистанционной защиты и пусковое реле для восстановления электропитания.