2.2.1. Устройства общей неселективной сигнализации от замыкания на землю. Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной нейтралью не является аварией. Потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают нормально работать. Это дает возможность выполнять защиту от замыкания на землю, действующую на сигнал. В сетях простой конфигурации допускается применение только общего устройства неселективной сигнализации, контролирующего состояние изоляции в системе данного напряжения. Схема устройства состоит из трех минимальных реле напряжения, включенных на напряжения фаз относительно земли (рис.17.2,а), или из одного максимального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой последовательности (рис.17.2,б). Устройство сигнализации обычно подключается к трансформатору напряжения TV, установленному на шинах.
Рис.17.2. Схемы устройств неселективной сигнализации при замыканиях на землю
2.2.2. Токовая защита нулевой последовательности. Длительная работа сети при замыкании одной фазы на землю недопустима из-за возможности нарушения междуфазной изоляции в месте повреждения и перехода однофазного замыкания в многофазное КЗ.
Вероятность повреждения междуфазной изоляции определяется не только продолжительностью прохождения тока через место замыкания на землю, но и величиной тока. Поэтому для предотвращения перехода однофазных замыканий в многофазные КЗ, максимальный ток замыкания на землю должен быть не более I зmax < 10 А в сетях напряжением 6-35 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры. В сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор, максимальный ток замыкания на землю при напряжении 6 кВ - не более I зmax < 30 А, при напряжении 10 кВ - не более Iзmax < 20 А. В протяженных и разветвленных сетях токи замыкания на землю могут быть больше указанных значений. В таких случаях для их компенсации применяются дугогасящие катушки (ДГК).
Таким образом, допустимые токи замыкания на землю обычно меньше рабочих токов защищаемого элемента, поэтому токовая защита от замыкания на землю, выполняется с включением реле на фильтр тока нулевой последовательности. Она приходит в действие благодаря прохождению по поврежденному участку тока нулевой последовательности 3I0экв, обусловленного емкостью всей электрически связанной сети С0ввк без учета емкости С01 поврежденной линии. Защита не должна срабатывать при повреждениях на других присоединениях сети, когда по защищаемой линии проходит ток 3Iоп (3I01), обусловленный емкостью линии. При этом для обеспечения недействия защиты ее ток срабатывания выбирают по условию
Iс.з = Котс3Iол. (17.7)
Коэффициент отстройки определяется броском емкостного тока в момент замыкания. На основании опытных данных для защит без выдержки времени Котс = 4-5; для защит с выдержкой времени с учетом перемежающегося характера замыкания коэффициент Котс = 2,0-2,5. Без выдержки времени выполняются защиты, действующие на сигнал.
а) 
б) 
Рис.17.3 Защита от замыканий на землю с тремя ТТ, включенными в схему фильтра нулевой последовательности (а) и с кабельным ТТНП(б)
Для выполнения защиты нулевой последовательности в качестве фильтра тока нулевой последовательности обычно используется трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП) TAZ (рис.17.3,б). При замыкании на землю в сети токи повреждения могут замыкаться как через землю, так и по проводящей оболочке кабеля, в том числе и неповрежденного кабеля, что может вызвать неправильное действие защиты. Поэтому воронку и кабель на участке от ТНП до воронки изолируют от земли, а заземляющий провод присоединяют к воронке ТНП кабеля и пропускают через отверстие магнитопровода ТНП в направлении кабеля. При таком исполнении цепей защиты токи, проходящие по броне и проводящей оболочке кабеля, компенсируются токами, возвращающимися по заземленному проводу
Чувствительность защиты характеризуется минимальным первичным током замыкания на землю. При использовании электромагнитного реле с трансформаторами тока нулевой последовательности можно выполнить защиту, действующую при минимальном первичном токе замыкания на землю Iз = 5 А, поэтому необходимо уменьшить ток Iср, для чего применяется реле тока с повышенной чувствительностью типа РТЗ-51.
2.2.3. Реле тока с повышенной чувствительностью типа РТЗ-51 предназначено для сигнализации при однофазных замыканиях на землю в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью. Используется совместно с трансформаторами тока нулевой последовательности (ТТНП) в качестве органа, реагирующего на ток нулевой последовательности в схемах защит линий с изолированной нейтралью.
Устройство и принцип действия реле тока типа РТЗ-51. Все элементы, кроме резисторов R26 и R27 (рис.17.4), смонтированы в общем корпусе. Резисторы типа ПЭВ установлены на основании реле с наружной стороны. На цоколе установлена металлическая скоба, к которой крепятся трансформатор ТА, реле KL, плата с элементами и лицевая плата. На лицевой плате расположены переключатели SB1-SB5, имеющие фиксацию положения.
Схема электрическая принципиальная реле типа РТЗ-51 включает в себя воспринимающую, преобразующую и сравнивающую части.
Воспринимающая часть реле состоит из промежуточного трансформатора тока ТА, резисторов R2-R7, которые совместно с переключателями SB1-SB5 служат для дискретной регулировки уставки по току срабатывания.
Изменение уставки по току срабатывания может производиться следующими ступенями "п" - 6, 12, 24, 36, 48, mА. Включение ступеней соответствует утопленному состоянию переключателей.
Величина тока срабатывания на соответствующей уставке определяется по формуле:
I = (20 + n)10-3 A. (17.8)
Положение переключателей на схеме соответствует минимальной уставке по току срабатывания.
Последовательно с первичной обмоткой трансформатора ТА включено сопротивление R1, ограничивающее величину тока во вторичной обмотке ТТНП при больших токах замыкания на землю, когда насыщение трансформатора ТА приводит к уменьшению сопротивления его первичной обмотки. Диоды VД1-VД4 предназначены для ограничения амплитуды входного сигнала.
Преобразующая часть реле представляет собой активный фильтр на операционном усилителе А1 с многоконтурной обратной связью, включающей резисторы R8, R9 и R10 и конденсаторы С1 и С2. Активным фильтром, настроенным на частоту 50 Гц, осуществляется отстройка реле от высших гармонических составляющих во входном токе.
Сравнивающая часть реле состоит из порогового элемента, выполненного на операционном усилителе А2, времяизмерительной цепи VД5, R15, R16 и С-7 и триггера Шмидта, построенного на операционном усилителе А3. Конденсаторы С3- С10 являются корректирующими элементами операционных усилителей, исключающими их возбуждение. Резистор R17 является элементом обратной связи.
Реле имеет шесть диапазонов срабатывания по току - от 0,02 до 0,12 А. Основная погрешность - не более 10%. Разброс тока срабатывания - не более 3%. Коэффициент возврата - не ниже 0,93.
Рис. 17.4. Принципиальная схема реле тока нулевой последовательности типа РТЗ-51
Схема питания реле от оперативного переменного тока включает в себя выпрямительный мост VС1, резистор R28 и конденсатор С13.
Исполнительный орган реле представляет собой усилительный каскад на транзисторе VТ1, в цепь коллектора которого включено выходное быстродействующее реле KL. Резисторами R24, R25 задается ток, открывающий транзистор VT1 в режиме срабатывания.
Оперативные цепи реле могут подключаться как к источнику постоянного напряжения с номинальным напряжением 110 или 220 В (выводы 6-10 и 12-10 соответственно), так и к источнику переменного тока с номинальным напряжением 100 В (выводы 8-10).
Порог срабатывания порогового элемента задается резисторами R11-R14. Изменением сопротивления R11 обеспечивается настройка реле на минимальной уставке. Сигнал с выхода порогового элемента в зависимости от его полярности заряжает или разряжает конденсатор С8.
При отсутствии входной воздействующей величины и в режиме, когда эта величина меньше установившегося порога срабатывания порогового элемента А2, конденсатор С8 времяизмерительной цепи заряжен до положительно потенциала, триггер Шмидта находится в несработанном состоянии, транзистор VT1 закрыт и выходное реле не срабатывает.
При появлении входной воздействующей величины, превышающей порог срабатывания элемента А2, конденсатор С8 перезаряжается до напряжения достаточного для срабатывания триггера. Транзистор VT1 открывается и выходное реле KL срабатывает.
2. 2.4. Направленная защита нулевой последовательности
Если в установившемся режиме собственный емкостный ток линии Iоп в сетях с изолированной нейтралью соизмерим с полным током замыкания на землю, то токовую защиту, реагирующую на установившееся значение емкостного тока, осуществить нельзя. В таких случаях применяется направленная защита нулевой последовательности или устройство сигнализации, контролирующее не только значение, но и направление тока замыкания на землю.
Промышленность выпускает направленную защиту нулевой последовательности от замыкания на землю типа ЗЗП-1 с током замыкания на землю от 0,2 до 20 А. Защита реагирует на ток замыкания, составляющий Iз = 0,07-2 А. Она состоит (рис.17.5,а) из вторичного измерительного преобразователя тока нулевой последовательности в виде промежуточного трансформатора TLA, нагруженного конденсатором С6 (называемого согласующим устройством), двухкаскадного избирательного усилителя переменного тока на транзисторах VT1 и VT2, схемы сравнения фаз на транзисторах VT3 и VT4 двух электрических величин, пропорциональных току 3Iо и напряжению 3Uо нулевой последовательности, и реагирующего элемента ЕА.
Согласующее устройство преобразует ток 3Iо в напряжение (на конденсаторе С6), сдвинутое по фазе на угол π/2 относительно тока нулевой последовательности, позволяет изменять ток срабатывания защиты (изменением числа витков обмотки трансформатора) и обеспечивает термическую стойкость защиты при двойных замыканиях на землю (разрядник VF).
Двухкаскадный усилитель переменного тока выделяет и усиливает составляющую промышленной частоты выходного напряжения согласующего устройства. Для этой цели на выходе усилителя включен резонансный контур С2-TL с частотой 50 Гц.
Схема сравнения осуществляет сравнение фаз двух синусоидальных величин: напряжения Uб вторичной обмотки трансформатора TL, пропорционального току нулевой последовательности 3Iо и смещенного по фазе относительно его на угол π/2, и напряжения Uк автотрансформатора TLV, пропорционального напряжению нулевой последовательности 3Uо.
Рис. 17.5. Принципиальная схема реле типа ЗЗП-1 для направленной защиты от замыкания на землю и векторные диаграммы реле.
Из векторных диаграмм тока Iо и напряжения Uо (рис.17.5) следует, что при замыкании на защищаемой линии, когда через защиту к точке замыкания проходит ток 3Iоэкв, обусловленный емкостями неповрежденных линий, сравниваемые напряжения Uб и Uк совпадают по фазе (рис.17.5, б). На неповрежденной линии ток 3Iол, обусловленный собственной емкостью линии, направлен к шинам, а сравниваемые ее защитой напряжения смещены по фазе на угол φ (рис.17.5, в).
Из этого следует, что защита срабатывает, имея максимальную чувствительность, если угол φ сдвига фаз между Uб и Uк равен нулю, и не действует при φ=π. Таким образом, зона срабатывания определяется углом сдвига фаз -π/2<φ<π/2. На рис.17.5,б,в она ограничена линией нулевой чувствительности.
2.2.5. Устройство сигнализации однофазных замыканий на землю УСЗ 2/2. Устройство сигнализации однофазных замыканий на землю типа УСЗ 2/2 предназначено для селективной сигнализации однофазных замыканий на землю в сетях 6-10 кВ с компенсированной нейтралью. Устройство сигнализации устанавливается на головных участках, отходящих от подстанций с использованием кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности типа ТЗ, ТЗЛ, ТФ и др.
Рис.17.6. Принципиальная схема устройствасигнализации однофазных замыканий на землю типа УСЗ 2/2
Принцип действия у стройства типа УСЗ 2/2 (рис.17.6) основан на том, что при однофазных замыканиях содержание высших гармоник в токе нулевой последовательности поврежденного присоединения всегда существенно выше, чем в токах нулевой последовательности каждого неповрежденного присоединения.