Анализ схем с несколькими источниками питания - Защита от замыкания на землю

4.1. Схема с несколькими источниками питания и одной точкой заземления

Для схемы с несколькими источниками питания и одной точкой заземления характерно наличие проводника PEN на вводной(ых) линии(ях):
обычно используемая схема - схема 2 (заземление симметрично и реализовано на уровне секционного аппарата);
схемы 1 и 3 применяются только в схемах ввода резерва.
Характеристики схемы 2
Защита от замыкания на землю может быть: типа ВТЗ;
типа РТ при условии правильно выполненной разводки нейтрали.
Вводные выключатели - трехполюсные. Функция контроля и устранения повреждений не требует наличия защиты от замыкания на землю на секционном аппарате.
Характеристики схем 1 и 3
Эти схемы являются асимметричными. Они представляют интерес только в случае использования в схеме ввода резерва с генераторной установкой в качестве резервного источника.

Эти схемы не очень просты для реализации и сохранения в случае расширения: следует избегать наличия второго заземления. Существует только один маршрут возврата к источникам:
для естественных токов нейтрали;
для токов замыкания, протекающих по РЕ.
Имеются три типа схем (рис. 25):

Рис. 25
Только схема 2 используется в том виде, в котором она представлена. Схемы 1 и 3 применяются только в упрощенном виде: нагрузка U2 (схема 1) или U1 (схема 3) отсутствует; нет секционного аппарата Q3. Эти схемы характеризуются наличием проводника PEN на вводной(ых) линии(ях). Поэтому вводные выключатели Q1 и Q2 обязательно должны быть трехполюсными.

4.1.1. Схема 2

Заземление нейтрали выполнено в одной точке путем подключения к распределенному нулевому рабочему проводнику, поэтому нейтраль защит на вводах представляет собой PEN. Напротив, линия заземления - проводник РЕ.

Защита от замыкания на землю на вводе может быть реализована при помощи устройств защиты от замыкания на землю типа "возврат тока по заземлителю", измерительные ТТ которых устанавливаются на проводник РЕ (см. рис. 266).

Рис. 266 - Схема типа "возврат тока по заземлителю"
В "основном" режиме работы N:
критерий аО соблюдается, потому что речь идёт о РЕ; критерии а1 и а2 также соблюдаются (токи в нулевом рабочем проводнике не могут проходить в РЕ и цепи заземления); критерий 61 соблюдается;
критерий 62 не соблюдается, так как речь идёт о РЕ, общем для обеих частей электроустановки;
критерий 63 может быть соблюден без проблем. Применённые устройства ЗЗЗ обеспечивают безопасность электроустановки, так как максимальный ток утечки для обеих установок всегда ограничен 1200 А. Однако бесперебойность работы не гарантирована, потому что повреждение изоляции приводит к отключению всей электроустановки. Например, повреждение на U2 вызывает отключение U1 и U2.
В "резервном" режиме работы R1 или R2:
Соблюдаются все критерии работы.
Чтобы полностью решить проблему, связанную с критерием 62, можно: применить схему соединения ТТ (анализ 2); изменить схему электроустановки (анализ 3).

Учитывая, что А1 (или А2) является: РЕ в "основном" режиме N; PEN в режиме R1 (или R2);

Рис. 27а
Критерии работы соблюдаются, так как А1 (или А2) является РЕ. В "резервном" режиме R1 (см. рис. 276)

нейтралью в режиме R2 (или R1) на эти линии можно установить измерительные 1 головных устройств защиты от замыкания на землю (типа ВТЗ).
Так как линия А1 является PEN для нагрузок U1 и U2, а линия А2 - нейтралью для нагрузки U2, можно отказаться от измерения тока нейтрали в этом проводнике с помощью переключения вторичных обмоток ТТ (см. рис. 276). Токи повреждения измеряются только измерительным ТТ аппарата Q1: селективность между U1 и U2 невозможна. Все критерии работы соблюдаются.
Примечание: у измерительных ТТ должна быть правильная полярность и одинаковый номинальный ток.
В "резервном" режиме R2: тот же принцип.

В этой конфигурации, используемой в Австралии, нейтраль головных защит "воспроизведена" ниже РЕ. Тем не менее, необходимо убедиться в отсутствии других подключений вышерасположенных нейтралей и/или нижерасположенных РЕ, так как это исказило бы результаты измерений. Защита обеспечивается устройствами защит от замыкания на землю типа РТ, у которых внешний ТТ установлен на воспроизведенной нейтрали (при этом полярность должна соблюдаться). В "основном" режиме N (см. рис. 28а)

Рис. 28а
Критерии а1 и а2
У тока, проходящего по нейтрали N1 (или N2) есть только один путь возврата в источник. Устройство защиты от замыкания на землю1 (или (ЗЗЗ2) подсчитывает векторную сумму всех токов фаз и нейтрали. Критерии а1 и а2 соблюдаются.
Критерии 61 и 62
При повреждении на U1 (или U2) ток не может возвратиться по нейтрали N1 (или N2). Он целиком возвращается в источник по РЕ и PEN1 (или PEN2). Поэтому устройство защиты от замыкания на землю1 (или ЗЗЗ2), размещенное на главном фидере источника питания, "регистрирует" реальный ток повреждения, а ЗЗЗ2 (или ЗЗЗ1) не "видит" никаких токов повреждения и остается бездействующим.
Критерий 63
Селективность должна быть обеспечена согласно условиям, определенным в § 2-2. Соответственно, соблюдаются все критерии.
В "резервном" режиме R1 (см. рис. 286)
S1                                                                                                       S2

Этот режим не затрагивает функциональность N1 (или N2). Поэтому для обеспечения защиты обеих нагрузок (U1 + U2) необходимо определить сумму токов нейтрали (N1 + N2).
Соединение ТТ, представленное на рис. 286, позволяет проверить оба утверждения. В "резервном" режиме R2: тот же принцип.
4.1.1.4. Комментарии
Схема с симметричным заземлением используется в англосаксонских странах. Она требует строгого соответствия со схемой разводки РЕ, нейтрали и PEN в низковольтном ГРЩ.
Дополнительные характеристики
контроль токов повреждения без измерительного ТТ на секционном аппарате; полное тестирование функции ЗЗЗ можно выполнить на заводе: внешние ТТ расположены в ГРЩ НН;
защита обеспечена только на части электроустановки, расположенноей ниже измерительных ТТ: это неудобно в случае удаленных источников питания.
4.1.2. Схемы 1 и 3
Схемы 1 и 3 (см. рис. 25) идентичны.
Примечание: выключатели Q1 и Q2 обязательно должны быть трехполюсными.
4.1.2.1 Анализ упрощенной схемы 1

В: Включено О: Отключено
без нагрузки U2; без секционного аппарата Q3.

Функциональная диаграмма включает только два состояния ("основное" N или "резервное" R2). Этот вид применения показан на нижеприведенных схеме и диаграмме (см. рис. 29): источник 2 часто представляет собой генераторную установку.

Рис. 30a
В "основном" режиме N
Схема идентична схеме с одним источником питания (РЕ и нейтраль разделены): соответственно, реализация ЗЗЗ1 типа РТ или ВТЗ не представляет проблем.
В "резервном" режиме R2
На уровне Q2 нейтраль и РЕ объединены (PEN): соответственно, использование устройства 332 типа ВТЗ с внешним ТТ на РЕ является единственным (наиболее простым) реализуемым решением.

4.1.2.2 Анализ полной схемы 1

Эта схема требует внешний ТТ для обеспечения правильного управления устройствами защит от замыкания на землю.

Рис. 306
В "основном" режиме N
Для Q1 схема идентична схеме с одним источником питания.
Для Q2 устройство защиты от замыкания на землю2 - типа ВТЗ с измерением на РЕ2 (см. рис. 306).
В "резервном" режиме R1
Схема аналогична схеме с одним источником питания. В "резервном" режиме R2
РЕ2 становится PEN. Измерение осуществляется вторым внешним ТТ на РЕ (см. рис. 306), соединенным реле.

4.2. Схема с несколькими источниками питания и несколькими точками заземления

Рис. 31 - Схема с несколькими источниками питания и двумя точками заземления

Схема с несколькими источниками питания и несколькими точками заземления проста в реализации. Тем не менее, если нулевой рабочий проводник не разорван, на уровне защит от замыкания на землю (ЗЗЗ) следует использовать специальную аппаратуру релейной защиты. Применение четырехполюсных выключателей в качестве вводных и секционных решает эти проблемы и обеспечивает простое и эффективное управление защитами от замыкания на землю (ЗЗЗ).

Нейтраль низковольтных трансформаторов источников S1 и S2 напрямую соединена с землей. Это заземление может быть общим или раздельным. Ток в нулевом рабочем проводнике нагрузки U1 может возвращаться прямо в S1 или проходить через заземления.

4.2.1. Анализ схемы

Используется методология применения в "основном" режиме*. "Основной" режим Q3 отключен (см. таблицу на стр.23).
Критерий а1: симметричные нагрузки без гармоник U1 и U2

Рис. 32а - Критерий а2: прохождение тока по конструкциям
Для нагрузки U1, ток в нейтрали слаб или равен нулю. Также незначительны или равны нулю токи на маршрутах А и Б. Головные устройства ЗЗЗ (ЗЗЗ1 и ЗЗЗ2) не измеряют никаких токов. Действие - правильное. То же относительно нагрузки U2.
Критерий а2: гармоники в нагрузке U1
Ток нейтрали значителен, соответственно токи на маршрутах A (IN1) и Б (IN2) также значительны. Головные устройства ЗЗЗ (ЗЗЗ1 и ЗЗЗ2) измеряют ток, который; в зависимости от уровня уставок, может вызвать ложное отключение. Действие - неправильное. Ток маршрута Б проходит по конструкциям. Критерий а2 не соблюдается.
В случае повреждения на нагрузке 1, ток In может вернуться по нулевому рабочему проводу (не разорванному), если он разделяется на In 1 и 1п2.

Рис. 326 - Критерии 61 и 62
Критерий 61

1. измеряет ток

In - In2 = 1п1, который меньше реального тока повреждения. Это может привести к несрабатыванию ЗЗЗ1 при опасном повреждении. Действие - неправильное. Критерий 61 не соблюдается.
Критерий 62

1. измеряет ток 1п2 при отсутствии повреждения.

Это может привести к ложному срабатыванию ЗЗЗ1.
Действие - неправильное.

Критерий 63
Анализ селективности невыполним, пока не устранены вышеупомянутые нарушения работы.
В режиме R1 (или R2). Нарушения работы сохраняются.
Применение ЗЗЗ в схемах с несколькими источниками питания и точками заземления, с неразорванным нулевым рабочим проводом, требует более точной разработки. Кроме того, ток нейтрали, циркулирующий в РЕ по маршруту Б, может проходить по металлическим частям заземленного оборудования, вызывая нарушения работы чувствительных электроприемников.

4.2.2. Решения

4.2.2.1. Модифицированная дифференциальная ЗЗЗ

Три ЗЗЗ типа "разностный ток" установлены на защитные и секционный аппараты (см. рис. 33а). Путём применения законов Кирхгофа и за счёт рационального соединения трансформаторов тока можно устранить влияние рабочего тока нейтрали (воспринимаемого как циркулирующий ток) и учитывать только ток повреждения.

Рис. 33а - Логика взаимоблокировки для измерения тока повреждения

Анализ 1: Контроль токов нейтрали
Для упрощения рассуждений данный анализ выполняется при следующих условиях:
"основной" режим работы N;
нагрузка U1 генерирует токи нейтрали (гармонические и/или небаланса), то есть IU1 фазы = E~icf>, I и 1 нейтрали = IN;

Рис. 336 - Ток нейтрали нагрузки U1

нет нагрузки U2,to есть IU2 фазы = 0.JU2 нейтрали = 0; нет повреждений на U1/U2, то есть I !ф + IN = 0.
Заключение: обнаружение (ошибочное) повреждений отсутствует. Критерий а1 соблюдается. Анализ 2: Контроль токов повреждения

Рис. ЗЗв - Повреждение на U1 в упрощенном виде: нет тока нейтрали (2~Тф = 0,1Ы = 0)

Заключение: точные обнаружение и измерение повреждения в анализе 1; никаких отличий в анализе 2. Критерии 61 и 62 соблюдаются.
Замечания: Два приведенных анализа показывают, насколько важно соблюдать правильное подключение первичных и вторичных обмоток измерительных ТТ.
Данная технология, очень распространенная в США, имеет ряд преимуществ: используются только стандартные устройства ЗЗЗ типа РТ; она может применяться для сложных систем с более чем двумя источниками питания; в этом случае также необходима унификация секционных аппаратов;
она позволяет определить поврежденную часть схемы при включенном секционном выключателе.
Тем не менее, эта технология не устраняет токи нейтрали, циркулирующие в конструкциях здания: она может применяться только в случаях, когда опасность наличия гармонических токов в нейтрали мала.

4.2.2.2. Разрыв нейтрали

В сущности, указанная проблема в основном объясняется существованием двух возможных маршрутов возврата тока повреждения и/или тока нейтрали.
В "основном" режиме работы
Четырехполюсный секционный аппарат позволяет разорвать маршрут нейтрали. В этом случае схема с несколькими источниками питания и несколькими точками заземления эквивалентна двум схемам с одним источником. Данная технология полностью удовлетворяет критериям применения, включая критерий а2, так как схема TN-S сохраняется.
В режимах R1 и R2
Если нужно, чтобы эта схема работала во всех случаях, следует использовать 3 четырехполюсных аппарата.

Эта технология позволяет легко и правильно управлять схемами с несколькими источниками питания и несколькими точками заземления: стандартные устройства ЗЗЗ1 и ЗЗЗ2 типа РТ или ВТЗ;
стандартное устройство защиты от замыкания на землю3 (на секционном аппарате) типа РТ необязательно, но позволяет в режиме R1 (или R2) контролировать повреждение на нагрузке U1 или U2. Кроме того, больше нет циркулирующих в конструкциях токов нейтрали.