НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕЙ 3 страница

В качестве защиты линий 6-35 кВ чаще всего используется трехступенчатая токовая защита. Схема ее приведена на рис. 29.

I ступень выполняется как токовая отсечка без выдержки времени. К ней относятся ре­ле КА_I и KH_I (рис. 29, а)

.

II ступень - токовая отсечка с выдержкой времени (реле КА_II, КТ_II, КН_II). Ток согласуется с I_сз первых ступеней соседних ЛЭП. Время больше, чем вре­мя t_сз мгновенных ступеней соседних ЛЭП.

III ступень - МТЗ (реле КА_III , КТ_III , КН_III)

а время согласуется с МТЗ соседних ЛЭП.

График согласования защит по времени приведен на рис. 29, б.

При к.з. в точке К₁ работают все токовые реле КА_I, КА_II, КА_III, но отключение про­исходит без выдержки времени, так как при замыкании контактов КА_I питание катушка KL получает мгновенно.

При к.з. в точке К₂ реле КА_I не работает, так как . Работают реле КА_II

и КА_III, получают питание реле времени КТ_II и КТ_III . Поскольку , то сигнал на реле KL подается раньше с реле КТII.

При к.з. в точке K3 работает только КА_III и отключение к.з. производится с выдержкой времени III ступени.

Токовые отсечки являются самой простой и дешевой защитой. К основным недостат­кам ТО следует отнести неполный охват мгновенной ступенью защищаемого элемента и за­висимость длины зоны действия отсечки от вида к.з.

Токовые отсечки применяются в виде первых ступеней защит на линиях всех классов напряжений от всех видов к.з. Подробнее применение ТО для защиты различных элементов энергосистем рассмотрены в главах 12-15 настоящего пособия.

6. ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

В зависимости от уровня напряжения сети существуют различные режимы работы ней­трали. Сети 110 кВ и выше работают с глухо-заземленными нейтралами, сети U £ 35 кВ - с изо­лированными нейтралями или заземленными через дугогасящие катушки. Характер изменения тока, напряжения, их величины при однофазных к.з. существенно зависят от режима работы нейтрали, и, следовательно, защиты в этих сетях выполняются различным образом.

Защиты от замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью. Необходи­мость в применении отдельных комплектов таких защит вызвана, во-первых, большим коли­чеством однофазных к.з. (65%); во-вторых, тем, что защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности, имеют более высокий k_ч, чем обычные МТЗ, реагирующие на полные токи фаз. Схема подключения токового реле к фильтру токов нулевой последовательности приведена на рис. 8, д. Токи срабатывания обычных МТЗ отстраиваются от и обычно в 1,5¸З раза превышают его. Защиты, реагирующие на токи нулевой последовательности (3I₀), теоретически отстраиваются от нуля, так как в любом нормальном режиме 3I₀ = 0. Фактически, даже в нормальном режиме ТА обладают погрешностью, поэтому 3I₀ = I_неб ¹ 0, и на практике отстройка происходит от токов небаланса. Ток I_неб обуслов­лен тем, что трансформаторы тока различных фаз имеют различную погрешность и геомет­рическая сумма вторичных токов фаз I_A, I_B, I_C не равна нулю. Защита должна действовать на отключение оборудования, т.к. Iкз может быть большим.

Возникновение однофазных к.з., двухфазных к.з. и двойных к.з. на землю сопровожда­ется появлением тока 3I₀ и напряжения 3U₀:

; .

Рассмотрим к.з. фазы А на землю (рис. 30). Величины токов при условии, что линия ра­ботает на холостом ходу: .

Напряжение в точке к.з. .

Характер протекания тока изменяется, если изменяется схема сети (рис. 31).

При наличии глухо-заземленных нейтралей с обеих сторон рассматриваемого участка сети I_кз растекается в направлении заземленных нейтралей, как показано на рис. 31.

Ток к.з. может протекать и по неповрежденным фазам. Это явление необходимо учиты­вать при расчете I_сз, но поскольку защита действует на отключение элемента, наличие тока в неповрежденных фазах не нарушает действия защиты данного элемента.

В качестве защит от замыканий на землю применяются МТЗ и ТО нулевой последова­тельности.

Для ТО I_сз отстраивается от в конце защищаемой зоны,

Нужно заметить, что время срабатывания первой ступени не равно нулю. При включе­нии линии фазы выключателя замыкаются не одновременно. В результате этого в нулевом проводе появляется кратковременный ток, и мгновенная отсечка (без реле КТ) может срабо­тать. Этот недостаток устраняется замедлением отсечки или отстройкой ее тока срабатывания от тока не симметрии, появляющегося в реле в первый момент действия защиты. Время дейст­вия отсечки должно быть больше времени разновременности замыкания фаз выключателя:

Для МТЗ I_сз отстраивается от I_неб.max - максимального значения тока небаланса. Транс­форматоры тока соединены в фильтр токов нулевой последовательности (ФТНП) - см. рис. 8, д. Схема МТЗ приведена на рис. 32. Величина I_неб зависит от полной токовой погреш­ности трансформаторов тока. По реле КА (см. рис. 32) в нормальном режиме протекает ток I_неб, величина которого может быть определена следующим способом:

с учетом токовой погрешности ТА

где I_A, I_B, I_C - первичные токи ТА; , , - токи намагничивания соответст­вующих ТА; , , - коэффициенты трансформации ТА.

Если учесть, что = = = , то

В нормальном симметричном режиме , следовательно»

поэтому I_сз = k_H • I_неб.mах , k_H = 3 ¸ 1,5.

Для снижения I_неб необходимо работать в линейной части характеристики намагни­чивания ТА, применять ТА с одинаковыми n_т для всех фаз. Кроме отмеченного ранее усло­вия I_сз определяется по условию действия защиты при к.з. на землю в конце следующего участка сети ( ):

;

Выбор уставки срабатывания по времени защиты нулевой последовательности за­висит от того, какую выдержку времени имеет максимальная токовая защита от междуфазных повреждений на следующей линии.

Если , то МТЗ НП отстраивается от небалансов в нормальном режиме, по­скольку междуфазные повреждения отключаются быстрее, чем может подействовать МТЗ НП.

Если , то защиту нужно отстраивать от небаланса при трехфазных к.з. в на­чале следующего участка.

Выбор выдержки времени МТЗ нулевой последовательности осуществляется по сту­пенчатому принципу, и время t₃ увеличивается от приемного конца в сторону трансформа­торов с заземленной нейтралью. Выбор времени действия существенно зависит от схемы се­ти. В случае соединения обмоток трансформатора защита 3 может быть выполнена без выдержки времени, т.к. при к.з. в точке К1 токи замыкания в защиту 3 не попадают. Если же трансформатор имеет схему соединения , то защита 3 должна быть отстроена по време­ни от защиты 4, т.к. при к.з. в К1 токи I_кз протекают по трансформаторам тока защиты 3 и для селективного действия . График согласования защит для данного случая приве­ден на рис. 33 и обозначения защит и соответственно.

Токовые защиты могут быть выполнены направленными и ненаправленными. Направ­ленные защиты применяются в сети с двухсторонним питанием и наличием заземленных нейтралей с двух сторон защищаемой сети.

Направленные МТЗ устанавливаются с двух сторон каждого защищаемого элемента, график согласования защит приведен на рис. 34.

По времени между собой согласуются защиты, действующие при одинаковом направ­лении мощности к.з. Между собой согласуются защиты 1, 3, 5 и 2,4, 6:

и ;

Реле направления мощности включается на 3U₀ и 3I₀.

Направленная МТЗ нулевой последовательности мертвой зоны в месте установки защи­ты не имеет, т.к. наибольшее значение 3U₀ появляется в месте возникновения к.з. на землю.

В отличие от характера изменения U при междуфазных к.ч. величина 3U₀ имеет самое большое значение, если к.з. происходит в месте установки защиты. Чем дальше удаляется точка к.з. от места установки защиты, тем меньше величина 3U₀. Для защиты линий с U³110кВ применяются трехступенчатые токовые защиты нулевой последовательности. Схема такой защиты приведена иа рис. 35.

I ступень защиты - ТО, выполнена на реле КА1, KL1, КН1.

II ступень защиты - ТО с выдержкой времени реле КА2, КТ1, КН2.

III ступень защиты -МТЗ НП, выполнена на реле КАЗ,КТ2,КНЗ.

Реле KL2 - общее для всех трех ступеней.

При этом / и

При к.з. в начале защищаемой линии работают реле KW, КА1, КА2 и КАЗ. При их сра­батывании получают питание катушки реле KL1, КТ1 и КТ2. Раньше всех замыкается кон­такт KL1, т.к. его выдержка времени меньше, чем на реле AT1 и КТ2 и выключатель отклю­чается практически мгновенно.

При к.з. в конце защищаемой линии и реле КА1 не работает. Работают ре­ле KW, KA2 и КАЗ, замыкаются КТ1 к КТ2. Раньше замыкается контакт реле КТ1 и отключе­ние выполняется II ступенью защиты.

При к.з. на соседней линии и отказе ее защиты работает III ступень защиты и , работают только реле KW, КАЗ и КТ2, к.з. отключается с вы­держкой времени III ступенью. Расчет уставок по току и времени аналогичен приведенному ранее в пособии для соответствующих видов защит.

Защиты от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью. Замыкание на землю одной фазы в таких сетях не вызывает к.з. и не сопровождается резким увеличени­ем тока. Рассмотрим характер изменения I и U при замыкании на землю фазы А. Считаем, что нагрузки нет и весь ток замыкается через емкости фаз относительно земли, С_A = С_B = C_C. Векторная диаграмма токов и напряжений в нормальном режиме представ­лена на рис. 36, а. В этом случае

величины емкостных токов могут быть найдены следующим образом:

; ; .

При замыкании на землю фазы А параметры принимают следующие значения:

=0; I_A=0; =-Е_А,

где U_H - напряжение нейтрали.

Фазные напряжения неповрежденных фаз увеличиваются в раз:

; ,

где , - линейные напряжения в нормальном режиме. Следовательно, W . Поскольку ; , то

. Все изложенное выше проиллюстрировано на векторной диаграмме рис. 36, в. Величины то­ков фаз В и С можно определить следующим образом:

;

Ток в месте замыкания равен и направлен в противоположную строну (рис. 36, в):

при условии X_CB = Х_СС =X_C

Отсюда

Величина I₃ возросла по сравнению с емкостным током фазы в нормальном режиме в 3 раза.

При замыкании фазы на землю в сети с изолированной нейтралью появляются токи 3I₀. но величина этих токов мала и достигает лишь 30-50 А, поэтому выполнить защиту с использованием фильтра токов нулевой последовательности (ФТНП) не представляется воз­можным. Реле КА, включенное на ФТНП, не сработает при возникновении замыкания на землю одной фазы, т.к. I_з не приводит к значительному увеличению 3I₀, на которое реаги­рует реле. Реле КА имеет ; определяется в основном погрешностями трансформаторов тока, которые в самом благоприятном случае составляют f_i = 10%.

При включении в нейтраль дугогасящей катушки выполнение защит еще более услож­няется, поскольку величина I_з емкостного характера полностью компенсируется током ка­тушки, имеющим индуктивный характер. Работа в режиме перекомпенсации или

недокопенсации нежелательна.

Требования к защите от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью отли­чаются от требований к защитам от к.з.

Эти повреждения не требуют немедленного отключения элемента и допускается работа при возникшем режиме в течение двух часов, но сигна­лизация о возникшем замыкании должна существовать. Кроме того, две здоровые фазы на­ходятся длительное время под повышенным напряжением, что может привести к пробою изоляции на них и к возникновению двухфазных или двойных замыканий на землю.

Основная сложность в выполнении данных защит заключается в малых токах замыка­ния и сложности их улавливания, поэтому защиты должны обладать высокой чувствительно­стью, что требует создания иных принципов действия защит.

Наиболее простой является неселективная сигнализация о замыкании на землю (рис. 37). Защита неселективная, поскольку она не определяет элемент, на котором возникло замыкание. На рис. 37, а изображена защита, использующая три реле минимального напря­жения. При однофазном замыкании одно из реле сработает и подаст сигнал диспетчеру. На рис. 37, б приведена схема защиты, использующая реле максимального напряжения, под­ключаемого к фильтру напряжения нулевой последовательности.

Для выполнения селективных защит, указывающих поврежденный элемент, использу­ют защиты, реагирующие на ток замыкания. При их подключении применяют специальные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТИП). ТНП не имеют первичной обмот­ки, и токовая погрешность обычных трансформаторов тока у ТНП отсутствует. Роль первич­ной обмотки играют три фазных провода, проходящих внутри магнитопровода и находя­щихся в изоляции (рис. 38).

В нормальном режиме в магнитопроводе су­ществует магнитный поток Ф_Т, обусловленный магнитными потоками трех фаз

Величина , где - число витков обмотки ТНП; - магнитное сопротивление;

I - фазный ток

Можно считать, что при соблюдении симметрии в расположении обмоток относительно магнитопровода одинаково для всех фаз.

Тогда

Величина j_т зависит от величины тока 3I₀.

Ток, который может протекать по реле КА, в нормальном режиме обусловлен незначи­тельной несимметрией магнитной системы, поэтому ; можно измерить, подключив последовательно с обмоткой реле измерительный прибор. При появлении замы­кании па землю одной из фаз суммарный поток , что приводит к воз­никновению ЭДС на выводах обмотки ТИП, следовательно, по реле КА потечет ток, величи­на которого определяется величиной тока замыкания I₃ (рис. 36). Схема защиты с примене­нием ТИП приведена на рис. 41, а.

Для увеличения чувствительности защиты используются ТИП с подмагичиванием. Наличие дополнительной обмотки (подмагничивания) позволяет увеличить ток, подаваемый и реле, при неизменной величине тока замыкания в сети. Увеличение I_p происходит за счет

смещения рабочей зоны в область более крутой части характеристики E₂ = f(I₃) (Рис. 39).

При отсутствии подмагничивания величина , создающая ток в реле мала, I_р также небольшой величины. При подключении обмотки подмагничивания (I_подм) в сердечнике создается дополнительный магнитный поток, который влияет на насыщение, но не влияет на величину I реле. Последнее достигается встречным включением двух секций обмотки под­магничивания. При правильно рассчитанном I_подм можно сместить рабочую зону в область более крутой характеристики E₂ = f(I₃). Теперь при такой же величине , и, следовательно, I_р увеличивается.

ТHП и ТНП с подмагничиванием нашли применение при выполнении защит генераторов, двигателей, линий с U ≤ 35 кВ. Существуют селективные защиты, реагирующие на токи высших гармоник. Поскольку замыкание на землю - несимметричный режим, то величины ЭДС, обусловленных составляющими с f > 50 Гц на поврежденном элементе больше, чем на неповрежденных.

На рис. 40 показан принцип подключения реле и выполнении защиты.

На каждом присоединении установлен ТНП, к нему подключен ZF - фильтр высших гармоник, выделяющий определенную частоту f ≠ 50 Гц. При замыкании на землю на эле­менте 1 состав ЭДС с f ≠ 50 Гц на нем больше, чем на элементе 2, и защита 1 элемента сигна­лизирует о возникшем повреждении. Схема защиты приведены на рис. 41,6.

В последнее время получили широкое распространение реле РТЗ-51, реагирующие на токи промышленной частоты (рис. 41, в). Реле состоит из согласующего трансформатора TL, фильтра промышленной частоты ZF, усилителя А и токового реле КА, выполненного на вре­мя-импульсном принципе. Фильтр ZF пропускает ток с частотой 50 Гц и запрещает попадание

в реле КА токов высших гармоник. Усилитель А служит для повышения чувствительно­сти реле к малым значениям тока замыкания I₃. Выход усилителя подключается на схему сравнения токового реле, рассмотренного в гл. 17 данного пособия. Реле РТЗ-51 имеет диа­пазон срабатывания по току от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата реле 0,93.

Применяется еще один вид защит, получивших название - направленные защиты. Это защиты, реагирующие на угол j₀ между 3I₀ и 3U₀. Величина j₀ будет различна для эле­ментов при наличии или отсутствии на них короткого замыкания.

7. ЗАЩИТЫ НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ

На подстанциях без дежурного персонала обычно используется переменный оператив­ный ток. На таких подстанциях устройства релейной защиты обладают рядом особенностей. Источником переменного оперативного тока служат трансформаторы тока.

Существует три принципа выполнения защит:

1. Защиты с использованием дешунтирования катушек отключения выключателей.

2. Защиты с применением блоков питания.

3. Защиты с использованием энергии предварительно заряженного конденсатора.

Такие показатели, как коэффициент чувствительности k_ч и надежность, у защит на пе­ременном оперативном токе хуже, чем у защит на постоянном оперативном токе. При подключении оперативных цепей (о.ц) защиты к ТА необходимо, чтобы

,

где - мощность, забираемая от ТА для питания обмоток релейной защиты и, главное, катушек отключения выключателя, 5ОЦ составляет 300 ¸ 1000 ВА, а S_ТА при 10%-ой по­грешности от 15 до 75 ВА. Увеличение мощности вторичной нагрузки на ТА приводит к возрастанию его токовой погрешности.

Рассмотрим способы выполнения МТЗ на переменном оперативном токе.

МТЗ на основе дешунтирования катушек отключе­ния. Дешунтирование подразумевает переключения без раз­рывов токовой цепи. На рисунке 42 поясняется идея дешунтирования катушки отключения. Обмотка реле подключена к вторичной обмотке ТА. В нормальном режиме контакты реле 1 и 2 замкнуты, а контакты 3 и 4 разомкнуты. При воз­растания тока реле сработает и замкнет контакты 3 и 4, а за­тем разомкнет контакты 1 и 2. Таким образом, после сраба­тывания реле ток потечет по ТА, реле, контактам 3 и 4 и катушке отключения выключателя YAT.

К особенностям выполнения реле в данной схеме относятся:

- контакты реле должны быть рассчитаны на длительное протекание большого тока (»100 А);

- после срабатывания реле ток, протекающий по нему, увеличивается по сравнению с током нормального режима, что приводит к увеличению токовой погрешности ΔI.

Поскольку , увеличение ΔI приведет к уменьшению I₂. Снижение тока I₂ до значений меньших, чем I_в.з реле, может привести к размыканию контактов 3 и 4. Но избежание этого необходимо I_сз и I_в.з рассчитывать с учетом значения ΔI.

Токи срабатывания и время срабатывания защиты выбираются точно так же, как и для защит на постоянном оперативном токе. Например, для вторичных токовых реле

.

Кроме того, при срабатывании токовых реле к ТА подключается YAT, нагрузка на репе резко возрастает и ток в реле КА резко падает, поскольку уменьшился вторичный ток в ТА. Для того чтобы реле КА не разомкнуло свои контакты, ток в реле должен превышать ток возврата реле. В этом случае надежное действие электромагнита отключения обеспечивается, если ', где - ток срабатывания электромагнита отключения.