Лекция 5

Тема: «Защиты электрических сетей»

Максимальная токовая защита. На рис. 1, а изображена так называемая совмещенная схема максимальной токовой защиты, в которой видна непосредственная связь между воспринимающими органами реле или электромагнитными механизмами (изображенными в виде прямоугольников) и принадлежащим этим реле или механизмам контактам. Эта связь на рис. 1, а показана пунктиром. На совмещенной схеме кроме реле, как правило, изображают схему первичных соединений защищаемого присоёдинения.

Реле тока КА1, КА2, КА3 соединены звездой и подключены ко вторичным обмоткам трансформаторов тока соответственно ТА1, ТА2, ТА3, также соединенным в звезду. Контакты реле КА1, КА2, КАЗ соединены параллельно, поэтому при замыкании любого из них плюс оперативного напряжения питания попадает на реле времени КТ и оно включается в работу. По истечении заданной выдержки времени замыкается контакт реле КТ и плюс оперативного напряжения питания попадает на промежуточное реле КL.. Реле срабатывает, его контакты замыкаются и оперативного напряжения питания попадает (через указательное реле КН и замкнутый вспомогательный контакт SQ выключателя Q) на катушку YAT соленойда электромагнитного механизма (привода) отключения выключателя Q.

Рис. 1. Трехфазная максимальная токовая защита линии: совмещенная (а), разнесенная (6), функциональная (в), структурная (г)

При малом числе реле совмещенные схемы достаточно просты наглядны, однако с увеличением числа реле и контактов они становят громоздкими и неудобочитаемыми. В этих случаях прибегают сенной схеме (рис. 1,б), в которой измерительные трансформаторы воспринимающие органы (для электромагнитных - это обмотки) реле и их контакты расположены в разных местах. Взаимная принадлежность воспринимающих органов и контактов реле идентифицируется соответствующими буквенными и цифровыми обозначениями.

Совмещенная и разнесенная схемы относятся к принципиальным ил полным схемам. На этих схемах изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля заданных электрических процессов. В тех случаях, когда достаточно графически проиллюстрировать лишь последовательность функциональных процессов, используют более простые схемы, называемые функциональными (рис. 1, в). Структурная схема (рис. 1,г) изображает принцип работы в самом общем виде.

Эта защита реагирует на увеличение тока при к.з. или перегрузке. Если несколько последовательных участков сети оборудованы самостоятельными защитами этого типа, то селективность их действия обеспечивается с помощью выдержки времени.

Принцип обеспечения селективности защиты последовательных участков поясним на примере сети с односторонним питанием (рис. 2,а). При коротком замыкании в точке к3 ток повреждения проходит от источника по всем участкам, вызывая срабатывание токовых реле защит АК1, АК2, АК3, выполненных по схеме рис. 1. Однако сработать должна только защита АК3. При к.з. в точке к2 должна сработать только защита АК2 и т. д. Такая селективность достигается специальным выбором уставки реле времени на каждой из защит по ступенчатому принципу. Защита АК3 имеет наименьшую выдержку времени, защита АК2 более длительную. Защита АК1 имеет наибольшую выдержку времени.

Рассмотрим график зависимости времени срабатывания защит от места короткого замыкания (рис. 2, б). Защита АК1 имеет время действия защита АК2 - время , и т. д. Выдержка времени определяется реле времени, она не зависит от величины тока короткого замыкания. Поэтому такая защита называется защитой с независимой выдержкой времени. Как следует из рис. 2, б:

(1)

где - ступень селективности. для защиты с независимой выдержкой времени ступень селективности принимают 0,4—0,6 с.

Ток срабатывания защиты:

, (2)

Рис. 2. Схема сети с односторонним питанием (а), ступенчатый график выдержки времени (б) и зависимости I =f(I) (в)

где - коэффициент запаса, равный 1,1—1,2; - коэффициент воз врата; - максимальный рабочий ток нормального режима учетом самозапуска асинхронных электродвигателей из-за возможного кратковременного отключения напряжения с последующим его восстановлением).

После отключения защитой АКЗ своего выключателя Q3 все осталные

защиты должны вернуться в исходное состояние при оставшемся в линии рабочем токе. Для обеспечения условий надежного возврата защит в выражение (2) и вводят коэффициент возврата .

Ток срабатывания реле зависит от коэффициента трансформации трансформаторов тока К_Т и схемы их включения:

, (3)

где - коэффициент схемы для нормального режима работы сети.

Чувствительность защиты определяется по условию:

, (4)

где - минимальный ток к.з. при повреждении в конце защищаемой зоны; - коэффициент схемы для режима, при котором определяется минимальный ток к.з.; - ток в реле, соответствующий минимальному значению тока заданного вида к.з. в расчетной точке.

Для защиты АК1 (рис. 2, а.) расчетные точки к.з. принимаются на шинах подстанций Б и В. В этом случае защита АК1 для участка А-Б будет основной, а для участка Б-В - резервной. Для основной защиты необходимо выполнение условия к 1,5, а для резервной к 1,2.

Изменения сопротивления энергосистемы существенно влияют на длину защищаемой зоны. Кривая 1 (рис. 2) - это зависимость тока к.з. в месте установки защиты от расстояния l до места к.з. в режиме максимума энёргосистемы; кривая 2 - та же зависимость в режиме минимума энергосистемы. Точки пересечения кривых 1 и 2 с линией тока срабатывания определяют длину защищаемой зоны: в режиме максимума энергосистемы эта длина равна , а в режиме минимума энергосистемы она сокращается до .

Кривые З и 4 получены из кривых 1 и 2 делением токов к.з. на коэффициент чувствительности Их пересечение с линией тока срабатывания определяет зону устойчивой и неустойчивой работы.

Достоинством защиты является ее простота, недостатками - большие выдержки времени, увеличивающиеся по мере приближения к источнику питания, и нестабильность зоны защиты. Защита широко используется в радиальных линиях всех напряжений.

Максимальную токовую защиту можно выполнить и с помощью реле РТ-80, имеющих ограниченно зависимую характеристику времени срабатывания. Схема защиты с такими реле упрощается, так как от нужда в реле времени.

Токовая отсечка. Эта защита отличается от максимальной токовой принципом обеспечения селективности. Схема включения реле в простой токовой отсечке отличается от схемы рис. 1 только отсутствием реле времени. Селективность токовой отсечки достигается выбором такого тока срабатывания защиты, при котором ограничивается зона ее действия. Рассмотрим принцип выбора тока срабатывания защиты АК1 линии, питающейся от энергосистемы с э. д. с. Е_с и сопротивлением Х_с (рис. 3). При к.з. в точке к1

, (5)

По условию селективности защита АК1 не должна срабатывать при коротких замыканиях за шинами подстанции Б - эти повреждения отключаются защитой АК2. Следовательно, зону действия защиты АК1 необходимо ограничить участком А - Б. для этого расчетную точку к1 выбирают на шинах подстанции Б и находят наибольший ток короткого замыкания в фазе в режиме максимума энергосистемы . Ток срабатывания защиты

, (6)

Рис. 3. К определению зон действия токовой отсечки

Коэффициент запаса учитывает возможные погрешности в расчете тока к.з. и погрешность в токе срабатывания реле. для реле РТ-40 =1,2-1,3, для индукционных реле РТ-80 = 1,5-1,6, для реле прямого действия РТМ = 1,8-2. Поскольку коэффициент запаса ,> 1, то зона действия токовой отсечки l₃ оказывается меньше, чем расстояние между шинами подстанций А и Б. Величина l₃ находится графически (см. рис. 3) как расстояние от шин подстанции А до точки n пересечения прямой, соответствующей току срабатывания с кривой 1. В режиме минимума энергосистемы зона действия отсечки уменьшается до . Это расстояние определяется точкой пересечения m прямой с кривой 2 –зависимостью в режиме минимума энергосистемы

Так как отсечка не срабатывает при внешних к.з., то условия врата предусматривать не надо и коэффициент возврата не учитывается. Ток срабатывания реле находится по (3). Чувствительность отсечки определяют по условию (4), где - ток, проходящий через защиту при двухфазном к.з. вблизи установки защиты в минимальном режиме энергосистемы. Коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,2.

Токовая отсечка может применяться ин линиях с двусторонним питанием. Достоинством токовой отсечки является ее простота и быстродействие, недостатком - наличие незащищенного участка вблизи смежной подстанции Б - мертвой зоны — в режиме максимума и — в режиме минимума энергосистемы (см. рис. 3). Для ликвидации этого недостатка можно применить токовую отсечку с выдержкой времени. В этом случае за АК1 (см. рис. 3) выполняют в виде двух токовых отсечек. Одна из них, не имеющая выдержки времени, будет отключать повреждения в зоне l₃. Вторая, с выдержкой времени, имеет несколько меньшее значения срабатывает при повреждениях за шинами подстанции Б (в точке к2). В этом случае повреждения в зоне будут отключаться без выдержки времени, а повреждения в более удаленных точках (вплоть до шин станции Б) — с выдержкой времени. Возможно также сочетание токовой отсечки и максимальной токовой защиты.

Токовые направленные защиты. В сетях с двусторонним пита ин кольцевых сетях максимальная токовая защита не может обеспечить выполнение принципа селективности. В этих случаях применяют максимальную токовую направленную защиту (рис. 4). Дополнительным моментом схемы в каждой фазе является реле направления мощности КW. Его токовая катушка включена последовательно с катушкой реле тока КА во вторичную цепь трансформатора тока соответствующей фазы катушка напряжения получает питание от трансформатора напряженя ТV, устанавливаемого, как правило, на шинах распределительного устройства. Контакты реле КА и КW в каждой фазе включены последовательно, следовательно, защита приходит в действие только при одновременном срабатывании реле тока и реле направления мощности (логическая операция И). Таким образом, эта защита реагирует не только на значение, но и на фазу тока. Для защит высоковольтных сетей реле мощности выбираются так, чтобы их действие происходило при направлении мощности короткого замыкания от шин в линию.

Рис. 4. Схема максимальной токовой направленной защиты

Рассмотрим линию с двусторонним питанием, защиты выключателей которой оборудованы максимальной токовой направленной защитой (рис. 5). Направления мощности, при которых срабатывают реле КW /на каждом из выключателей, обозначены короткими стрелками. В соответствии с этими направлениями защиты на выключателях Q2, Q4, Q6 реагируют на токи, протекающие через них от источника питания ЭС1, а защиты на выключателях Q3, Q5, Q7 реагируют на токи, протекающие через них от источника питания ЭС2. Выдержки времени t₁, t₃, t_5, t_7. защит соответственно на выключателях Q1, Q3, Q5, Q7 выбирают, к для максимальных токовых защит по ступенчатому признаку с увеличением времени срабатывания по мере приближения к источнику питания ЭС2. Выдержки времени t₂, t₄, t_6, t₈ соответственно защит на выключателях Q2, Q4, Q6, ‚ увеличиваются по мере приближения к источнику питания ЭС1. Такой принцип определения выдержек времени направленных защит называется встречно-ступенчатым.

При к.з. в точке к могут прийти в действие только защиты на телях Q2, Q4, Q5, Q7, поскольку для них направление мощности, при котором они могуг сработать (короткие стрелки), совпадает с действительным направлением мощности к.з. S₁ и S₂ (длинные стрелки). При этом наименьшую выдержку времени имеют защиты на выключателях Q4 и Q5. Поэтому при к.з. в точке к отключатся только эти выключатели, что и требуется по принципу селективности. Аналогичным образом селективнось обеспечивается при повреждениях и на других участках линии.

Рис. 5. Схема и диаграмма, поясняющие принцип встречно-ступенчатого

распределения выдержек времени

Токи срабатывания защит и реле выбираются по выражениям аналогично МТЗ.4 Максимальная токовая направленная защита трехфазных линий устанавливается в двух или трех фазах. При этом реле направления мощности (с углом максимальной чувствительности 30° или 45°) в каждой включаются по так называемой 90-градусной схеме: катушка тока включается на фазный ток, а катушка напряжения - на междуфазное напряжение двух других фаз. При трехфазном к.з. напряжение в сети резко падает. Если напряжение , подводимое к реле правления мощности, при этом окажется слишком малым, то оно не сработает. Участок линии, к.з. на котором не вызывают действие реле направления мощности, называется мертвой зоной.

Наличие мертвой зоны, как и большие выдержки времени, особенно вблизи источников питания, являются недостатками рассматриваемой защиты. Эти недостатки могут быть исправлены, если совместно с максимальной токовой направленной защитой применить токовую отсечку. Такая защита широко используется в сетях напряжением до 35 кВ с двусторонним питанием, а в ряде случаев как резервная ин сетях 110 и 220 кВ.