Однофазное замыкание на землю — один из наиболее распространённых видов повреждений в электрических сетях. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью такое повреждение имеет особую специфику: ток замыкания может быть относительно небольшим, обычная токовая защита не всегда обеспечивает требуемую чувствительность, а линия в некоторых режимах может продолжать работать с дефектом. При этом дуга в месте замыкания может повреждать изоляцию, а напряжение неповреждённых фаз относительно земли повышается. Практичный способ обнаружить такое повреждение — контролировать ток нулевой последовательности. Именно для этого применяют трансформатор тока нулевой последовательности: кольцевой магнитопровод, через окно которого проходят все фазные проводники контролируемой цепи. В трёхфазной линии через окно ТНП обычно проходят три фазных проводника. В нормальном симметричном режиме ТНП практически не выдаёт сигнала.
Для чего нужен трансформатор тока нулевой последовательности
ТНП применяют для нескольких задач:
- Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6–35 кВ. В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью ОЗЗ не всегда приводит к немедленному отключению повреждённого присоединения. Повреждение может некоторое время существовать в сети, создавая риск развития дугового замыкания и повреждения изоляции. Защита на основе ТНП либо сигнализирует персоналу, либо отключает повреждённое присоединение.
ТНП в сетях с компенсированной нейтралью
В сетях 6–35 кВ часто применяют компенсированную нейтраль — через дугогасящий реактор (ДГР). Реактор создаёт индуктивный ток, компенсирующий значительную часть ёмкостного тока сети. Поэтому ток в месте повреждения может существенно уменьшаться по сравнению с током ОЗЗ в сети с изолированной нейтралью.
Для ТНП это ничего принципиально не меняет: он по-прежнему измеряет ток нулевой последовательности 3I₀. Но появляются важные практические последствия:
- Величина 3I₀ может быть небольшой, поэтому защита должна быть значительно более чувствительной.
- Простые токовые защиты часто не справляются — приходится применять направленные реле, защиты по высшим гармоникам или специальные алгоритмы.
- Требования к самому ТНП ужесточаются: нужны меньшие погрешности на малых токах и правильный выбор номинального тока.
В компенсированных сетях особенно важно правильно установить ТНП и согласовать его с реле защиты. Ошибка в выборе номинала или в монтаже приводит к тому, что защита «не видит» замыкание даже при наличии устойчивой дуги.
Другие применения ТНП
- Контроль замыканий на землю в двигателях и кабельных линиях. ТНП используется как датчик остаточного тока и формирует сигнал для реле защиты от замыканий на землю. В зависимости от системы заземления нейтрали и схемы защиты этот сигнал используется для сигнализации или отключения повреждённого присоединения. В сетях 0,4 кВ ТТ нулевой последовательности может применяться в составе устройств защиты от токов утечки и замыканий на землю, однако конкретная схема зависит от системы заземления и применяемого устройства защиты.
- Контроль токов утечки и состояния изоляции. ТНП в составе соответствующего устройства контроля позволяет обнаруживать токи утечки и признаки ухудшения изоляции до развития аварийного повреждения.
Что видит ТНП, а что — нет
Видит:
- токи замыкания на землю;
- остаточные токи и токи утечки;
- остаточный ток 3I₀, связанный с током нулевой последовательности.
Не является универсальным датчиком КЗ:
- межфазное КЗ без земли не создаёт значимого 3I₀;
- трёхфазное симметричное КЗ, как правило, не создаёт остаточного тока, однако в переходных режимах или при несимметрии трёхфазного КЗ возможно кратковременное появление небаланса;
- величина сигнала зависит от схемы сети и пути возврата тока.
Как устроен ТНП: конструкция
Конструкция ТНП проще, чем у обычного трансформатора тока.
- Тороидальный (кольцевой) магнитопровод из листовой электротехнической стали. Кольцо нужно для того, чтобы через него мог проходить кабель.
- Первичная цепь — проходящие через окно проводники. Фазные проводники проходят через магнитопровод ТНП и создают магнитные потоки, которые в симметричном режиме взаимно компенсируются.
- Вторичная обмотка. Обмотка размещена на магнитопроводе, выводы выведены на клеммы И1–И2. С них сигнал уходит на реле или прибор.
- Литой корпус. Обмотка залита компаундом. Буква «Л» в марках означает «литая изоляция». Корпус защищает от пыли и влаги, поэтому ТНП ставят прямо в отсеках КРУ и шкафах.
Главное отличие от обычного трансформатора тока — он охватывает не один проводник, а сразу несколько. Обычный ТТ преобразует ток отдельного проводника, тогда как ТНП охватывает фазные проводники контролируемой цепи и реагирует на их остаточный ток.
Принцип работы: почему в норме сигнал практически отсутствует, а при замыкании появляется ток
В симметричном трёхфазном режиме векторная сумма токов фаз близка к нулю:
3I₀ = IA + IB + IC ≈ 0
Поэтому результирующий магнитный поток в сердечнике ТНП практически отсутствует.
При замыкании на землю баланс нарушается, и появляется остаточный ток 3I₀ — векторная сумма токов фаз. Именно этот ток создаёт результирующий магнитный поток в сердечнике и вызывает сигнал во вторичной обмотке ТНП.
ТНП реагирует на результирующий ток, определяемый векторной суммой токов проводников, проходящих через его окно. Подробнее о том, как составляющая 3I₀ выделяется в обычных схемах трансформаторов тока, — в статье «Схемы подключения трансформаторов тока: полная и неполная звезда, треугольник».
Схемы подключения ТНП
Схема подключения проще, чем у обычного ТТ, но есть важные правила.
- Фазные проводники проходят через окно ТНП в соответствии со схемой производителя. Для защиты, использующей фазовую информацию или направленное определение повреждения, необходимо также соблюдать полярность ТНП.
- Вторичная обмотка подключается к реле защиты с соблюдением маркировки выводов И1–И2 и требований схемы.
- Нагрузка вторичной обмотки — реле защиты от ОЗЗ, блок контроля изоляции или другое устройство защиты. Сопротивление нагрузки должно укладываться в паспортные значения.
- Вторичная цепь заземляется в одной точке в соответствии с проектной схемой и требованиями производителя реле и ТНП.
Типовая схема для присоединения КРУ: кабель проходит через окно ТНП, вторичная обмотка заведена в терминал РЗА, терминал по сигналу 3I₀ выдаёт сигнализацию или отключение.
Основные исполнения трансформаторов нулевой последовательности
Ниже приведены распространённые исполнения ТНП для различных конструкций и условий монтажа:
| Изделие | Назначение | Конструкция | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| ТЗЛК | ТТ нулевой последовательности | Неразъёмный кольцевой магнитопровод, литая изоляция | Обнаружение ОЗЗ, кабельные линии |
| ТЗЛКР | ТТ нулевой последовательности | Разъёмный магнитопровод | Монтаж на существующий кабель без разрезания |
| ТЗЛМ | ТТ нулевой последовательности | Литое компактное исполнение | Ячейки КРУ 6–35 кВ |
| ТЗРЛ | ТТ нулевой последовательности | Разъёмное исполнение | Существующие кабельные линии |
ТПЛ-ЭК — это не трансформатор тока нулевой последовательности
ТПЛ-ЭК-0,66 — промежуточный трансформатор тока. Согласно руководству по эксплуатации, он предназначен для питания и разделения цепей технического учёта и цепей измерения от токовых цепей защит, присоединённых к одной измерительной обмотке отдельно стоящего или встроенного основного трансформатора тока.
ТПЛ-ЭК имеет собственную первичную обмотку Л1–Л2 и может выполняться с одной или двумя вторичными обмотками. Номинальный первичный ток составляет 5 А, вторичный — 1 или 5 А; предусмотрены классы точности 0,5; 1 и 3 и вторичные нагрузки от 1 до 50 В·А. Это принципиально отличает его от трансформатора тока нулевой последовательности, который охватывает несколько проводников и измеряет их остаточный ток.
В статье он приведён только как смежное оборудование, которое может применяться в низковольтных распределительных устройствах.
В каталоге СПБ-Интра представлены:
- ТЗЛК-0,66 100 — трансформатор тока нулевой последовательности в неразъёмном исполнении;
- ТЗЛКР-0,66 100 — разъёмный трансформатор тока нулевой последовательности для монтажа на существующий кабель;
- ТПЛ-ЭК-0,66 — промежуточный трансформатор тока для разделения цепей технического учёта и измерения от цепей защиты основного ТТ.
Все перечисленные в каталоге изделия поставляются СПБ-Интра.
Как выбрать ТНП
Выбор сводится к нескольким параметрам.
- Окно под кабель. Кабель должен проходить через окно свободно, с запасом. У ТЗЛК-0,66 100 проём 71×206×210 мм, у ТЗЛКР-0,66 100 — 69×250×210 мм. Для кабеля 4×95 (наружный диаметр около 45 мм у небронированных марок) этого достаточно.
- Номинальный первичный ток. Номинальный ток и остальные параметры ТНП выбирают с учётом рабочего тока линии, требуемой чувствительности защиты и характеристик конкретного трансформатора. Слишком большой номинальный ток при прочих равных условиях может ухудшить чувствительность к небольшим токам ОЗЗ. Нагрузку вторичной обмотки и другие параметры выбирают отдельно, в соответствии с требованиями реле и документацией на ТНП.
- Класс точности и характеристики вторичной цепи. Для защитных цепей применяют соответствующие защитные классы, если они предусмотрены конструкцией конкретного ТНП и требованиями схемы. При выборе ТНП для защиты от ОЗЗ также важно учитывать его погрешность и ток небаланса, особенно при небольших токах замыкания на землю. Про разницу измерительных и защитных обмоток — в статье «Классы точности трансформаторов тока - измерительные и защитные обмотки».
- Разъёмный или неразъёмный. Линия уже смонтирована и концы кабеля развести нельзя — берите разъёмный ТЗЛКР. Для новой линии обычно выбирают неразъёмное исполнение ТЗЛК, если конструкция кабельной линии позволяет установить трансформатор до монтажа кабеля.
Типичные ошибки
Через окно пропущены не все контролируемые фазные проводники. Если через окно пропустить не все контролируемые фазные проводники, компенсация магнитных потоков нарушится даже в нормальном режиме. На вторичной обмотке появится ток небаланса, поэтому защита может получить ложный сигнал.
Разъёмный ТЗЛКР собран неплотно или в стык попала грязь. Воздушный зазор в месте стыка полуколец искажает магнитный поток — чувствительность падает, появляются ложные срабатывания. Перед затяжкой стык протирают и проверяют плотное прилегание обеих половин.
Нарушена полярность включения вторичной обмотки. Особенно критично для направленных защит. Сигналы складываются неверно, и при реальном ОЗЗ защита может промолчать. Проверяется фазировкой при пусконаладке.
Выбор только по диаметру окна. Окно подошло — а номинальный ток и нагрузка вторичной обмотки не согласованы с реле. В итоге ТНП либо не обеспечивает нужную чувствительность, либо не выдаёт сигнал нужной величины.
Неправильно проложен заземляющий проводник или экран кабеля. Для кабелей с металлическим экраном недостаточно просто пропустить фазные жилы через окно ТНП. Необходимо учитывать схему заземления экрана и прохождения заземляющего проводника относительно магнитопровода. Если часть тока возвращается по пути, который не охватывается ТНП, измеряемый ток нулевой последовательности будет искажён. Особенно это важно для кабелей с металлическими экранами и заземляющими проводниками. Схему прохождения экрана через окно ТНП нельзя выбирать «по аналогии» — её необходимо выполнять в соответствии с проектной схемой и документацией на кабельную линию и ТНП.
Вывод
Трансформатор тока нулевой последовательности — компактное и практичное решение для обнаружения однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Конструкция простая: кольцо, через которое проходят фазные проводники контролируемой цепи, и вторичная обмотка, которая в нормальном режиме практически молчит и выдаёт сигнал 3I₀ при замыкании. Главное при выборе — окно под кабель, номинальный ток и согласование с реле. При монтаже критично пропустить все контролируемые фазные проводники через окно, правильно организовать прохождение экрана (если он есть) и соблюсти полярность там, где это требуется схемой защиты.
Подобрать трансформатор тока нулевой последовательности
В разделе каталога — ТЗЛК, ТЗЛКР и смежное оборудование с характеристиками, чертежами и документацией. Если нужен подбор под конкретную линию — пришлите опросный лист, специалисты СПБ-Интра подберут исполнение и помогут с расчётом.
