Подавляющее большинство повреждений в электрических системах сопровождаются повышением тока, поэтому именно ток целесообразно использовать в качестве входного сигнала для средств релейной защиты.
Защиты, которые оценивают состояние защищаемого объекта по току, называют токовыми. Токовые защиты начинают действовать при выходе значения контролируемого тока за установленные границы. Эти границы, задаваемые тем или иным способом на чувствительных элементах защиты, принято называть уставками.
Действующее значение тока в месте установки защиты, при котором защита начинает действовать, называют током срабатывания защиты. Действующее значение тока в месте установки защиты, при котором защита возвращается в исходное состояние, называют током возврата защиты. Отношение тока возврата защиты к току ее срабатывания называется коэффициентом возврата.
Как правило, чувствительные к току элементы — токовые реле — включаются в защищаемую сеть за трансформаторами тока (ТТ). В этом случае ток срабатывания реле (уставка) ICP и ток срабатывания защиты IC3 связаны следующим соотношением:
где kTT — коэффициент трансформации ТТ;
кCX — коэффициент схемы, показывающий, во сколько раз ток в обмотке реле больше, чем ток во вторичной обмотке ТТ.
Значение коэффициента схемы определяется схемой соединения вторичных обмоток ТТ и катушек реле.
Токовые защиты должны устанавливаться на защищаемом участке электрической сети со стороны источника питания. Если электрическая сеть включает в себя несколько источников, то защиты на контролируемом объекте следует устанавливать со стороны каждого источника питания, а сами защиты в этом случае должны обладать направленностью действия.
Наиболее часто защиты реагируют на повышение тока. Поэтому они являются защитами максимального типа и называются максимальными токовыми защитами.
Существует два вида токовых защит максимального типа, различающиеся способами обеспечения селективной работы: токовые отсечки и максимальные токовые защиты с выдержкой времени срабатывания.
2.1. Токовые отсечки
Токовые отсечки — это быстродействующие токовые защиты максимального типа, селективность действия которых обеспечивается за счет ограничения зоны действия (то есть выбором только уставки по току).
В сетях с односторонним питанием токовые отсечки устанавливаются в начале защищаемого участка со стороны источника питания.
Поскольку токи КЗ зависят от удаленности места повреждения от источника питания, то можно подобрать такое значение тока срабатывания отсечки, при котором в зону ее действия будет входить только контролируемый объект. Так, ток срабатывания токовой отсечки ТО1 (рис. 2.1) должен быть больше максимально возможного тока КЗ на смежном присоединении, то есть на линии W2. Поскольку ток КЗ при повреждении в начале линии W2 практически равен току КЗ при повреждении в конце линии W1, для выбора уставки обычно рассчитывают ток КЗ при повреждении на подстанции ПС2 — при КЗ в граничной между линиями точке К1.
Условие выбора тока срабатывания отсечки в этом случае может быть записано так:
2.1.1. Выбор уставок токовых отсечек
При расчетах уставок быстродействующих защит (к которым относится и токовая отсечка) необходимо учитывать возможное влияние апериодической составляющей тока КЗ [1]. G этой целью в условие выбора включают коэффициент запаса, значение которого зависит от типа чувствительного элемента (токового реле) и защищаемого объекта:
Возможные значения коэффициента запаса приведены в табл. 2.1[4].
Таблица 2.1
Токовые отсечки без выдержки времени, установленные для защиты трансформаторов или линий, от которых далее питаются силовые трансформаторы, необходимо дополнительно отстраивать от бросков тока намагничивания, возникающих при включении (восстановлении питания) указанных трансформаторов.
Зона действия токовой отсечки линии определяется графически по точке пересечения кривой изменения тока КЗ и горизонтальной линии, соответствующей уставке. В зависимости от вида КЗ и режима работы энергосистемы положение правой границы зоны действия отсечки может изменяться (токовая отсечка обладает относительной селективностью), а ширина зоны действия может принимать значения от lMIN до lMAX (см. рис. 2.1). В пределах минимальной зоны действия lMIN отсечка выявляет любые КЗ в любом режиме работы энергосистемы. За пределами максимальной зоны lMAX, напротив, никакое КЗ отсечкой выявлено не будет. Поэтому обычно зоной действия отсечки считают минимальную зону lMIN.
Эффективность отсечек оценивается по коэффициенту чувствительности или по длине зоны действия [4]:
— для отсечек трансформаторов чувствительность определяется по току самого «легкого» КЗ (определяемого режимом заземления нейтрали) в месте установки отсечки в минимальном режиме работы энергосистемы; при этом должно выполняться условие: kЧ ≥ 2;
— при расчете коэффициента чувствительности отсечек блоков «линия-трансформатор» используют минимально возможный ток при КЗ в конце линии (то есть на границе между линией и трансформатором): kЧ ≥ 1,5;
— токовая отсечка линии считается эффективной, если зона ее действия охватывает не менее 15–20 % от общей протяженности линии.
Так как токовая отсечка мгновенного действия контролирует лишь часть объекта, ее использование в качестве единственной защиты данного объекта недопустимо.
2.1.2. Схемы токовых отсечек
Отсечки, выполненные по трехфазной трехрелейной схеме (рис. 2.2), применяются для защиты электрических сетей напряжением 110 кВ и выше (сетей с глухозаземленной нейтралью). Трансформаторы тока устанавливаются в каждой из трех фаз контролируемой сети. Вторичные обмотки ТТ и катушки токовых реле соединяют по схеме «звезда/звезда» (Y/Y); при этом в нормальном режиме токи в реле равны вторичным токам ТТ, то есть kCX = 1.
Так как в сетях 110 кВ и выше обычно дополнительно устанавливают специальную токовую защиту нулевой последовательности от КЗ на землю, может быть использована разновидность этой схемы без токового реле КА2 (то есть фактически двухфазная двухрелейная схема) [5].
Назначение блок-контакта SQ заключается в своевременном разрыве цепи питания катушки отключения YAT выключателя Q после его отключения, вызванного срабатыванием защиты. Тем самым исключается возможность обгорания контактов KL1.1 под действием дуги.
Двухфазная двухрелейная схема (рис. 2.3) используется, главным образом, для защиты в электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью (обычно 6-35 кВ). Здесь трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах защищаемой сети (как правило, в фазах A и C), а вторичные обмотки ТТ и катушки реле соединяются по схеме «неполная звезда/неполная звезда». В этом случае также kCX = 1.
2.2. Неселективные отсечки
К защитам головных участков электроэнергетических систем, как правило, предъявляются повышенные требования по быстродействию. Это связано с необходимостью обеспечения устойчивости параллельной работы синхронных генераторов и энергосистемы в целом. Применение токовых отсечек оказывается не всегда эффективным, так как из-за увеличенных сечений проводников головных линий токи КЗ при повреждениях в начале и в конце линии отличаются незначительно. В результате обеспечить приемлемую зону действия и селективность отсечки обычно не удается.
В таких ситуациях могут быть использованы неселективные токовые отсечки.
Неселективные отсечки — это токовые защиты максимального типа, которые могут действовать при повреждениях не только в пределах контролируемого объекта, на котором они установлены, но и за его пределами. Селективность действия неселективных отсечек обеспечивается за счет введения выдержки времени или применения дополнительных технических средств.
2.2.1. Неселективная токовая отсечка с выдержкой времени
С целью расширения зоны, контролируемой токовой отсечкой, можно допустить возможность ее действия при КЗ на смежной линии (рис. 2.4). Селективное действие неселективной отсечки в этом случае можно обеспечить за счет ограничения зоны ее действия пределами действия быстродействующей защиты следующей линии и небольшой выдержкой времени срабатывания.
Так, установка токовой отсечки мгновенного действия ТО1 на линию W1, очевидно, неэффективна ввиду очень ограниченной зоны действия (l(TO1)). Для защиты линии W1 в этом случае целесообразно использовать неселективную отсечку НО1, которую и по току, и по времени следует отстроить от токовой отсечки ТО2 линии W2:
где IC TO2 — ток срабатывания токовой отсечки ТО2 линии W2;
k3 — коэффициент запаса неселективной отсечки;
IC HO1 — время срабатывания токовой отсечки ТО2, tC HO1 ≈ 0,1 с;
Δt — ступень селективности, Δt = 0,4–0,6 с.
Выдержка времени неселективной отсечки обычно составляет 0,3–0,8 с [5]. За это время апериодическая составляющая тока КЗ практически полностью затухает, поэтому значения коэффициента запаса принимают в пределах 1,1–1,2 независимо от типа реле [4]. Кроме того, по этой же причине (наличие выдержки времени) нет необходимости в дополнительной отстройке от бросков тока намагничивания силовых трансформаторов.
При таком выборе уставок на линии W2 образуется общая зона действия lОБЩ. При КЗ за пределами этой зоны, но в пределах зоны действия lТO2 отсечки ТO2 (точка К2) срабатывает только токовая отсечка ТО2, отключая поврежденную вторую линию. На КЗ в зоне lОБЩ (точка К1) реагируют обе отсечки: селективная ТО2 и неселективная первой линии НО1, однако «своя» отсечка ТО2 сработает быстрее (практически, мгновенно), и точно так же будет отключена только поврежденная линия W2. Неселективная отсечка при этом вернется в исходное состояние, так и не успев сработать. При КЗ в пределах линии W1 будет селективно работать неселективная отсечка НО1.
Схема токовой отсечки с выдержкой времени приведена на рис. 2.5. Требуемая выдержка времени неселективной отсечки создается при помощи реле времени KT1.
2.2.2. Неселективная токовая отсечка без выдержки времени
Неселективная токовая отсечка без выдержки времени применяется, когда по условиям обеспечения устойчивой работы энергосистемы или обеспечения термической устойчивости защищаемого оборудования требуется мгновенное отключение всех или части поврежденных элементов [4]. Исправить неселективное действие токовой отсечки при КЗ на смежных присоединениях можно с помощью устройств автоматического повторного включения (АПВ) или автоматического включения резервного источника питания (АВР).
Устройство АПВ (рис. 2.6) устанавливается на линии W1 и действует на выключатель Q1.
Если КЗ произошло на линии W2 в общей зоне lОБЩ действия селективной отсечки ТО2 и неселективной отсечки НО1 (точка К2), обе отсечки сработают одновременно. В результате обе линии W1 и W2 оказываются отключенными своими выключателями. После отключения линии W1 устройство АПВ, обеспечив определенную выдержку времени, подаст сигнал на повторное включение выключателя Q1. Линия W1 вновь включается, и питание подстанции ПС2 восстанавливается. Поврежденная линия W2 остается в отключенном состоянии.
Если в исходном состоянии электрической сети КЗ произошло вне общей зоны действия защит lОБЩ, но в зоне действия lTO2 токовой отсечки ТО2 (точка К3), то под действием этой защиты будет быстро отключена только линия W2. Неселективная отсечка НО1 действовать не должна, и линия W1 остается во включенном состоянии.
При КЗ на линии W1 (точка К1) под действием неселективной отсечки НО1 будет отключена линия W1. Устройство АПВ повторно включит линию, и, если КЗ оказалось устойчивым (не ликвидировалось за время действия АПВ), неселективная отсечка НО1 вновь отключит линию W1. Количество включений линии W1 (обычно одно) ограничивается устройством АПВ.
Ток срабатывания неселективной токовой отсечки выбирается по условию ее надежного срабатывания в тех зонах, где трехфазные КЗ вызывают снижение напряжения до значений, при которых нарушается устойчивая работа энергосистемы [5]:
где UC MIN — междуфазное напряжение питающей энергосистемы в минимальном режиме ее работы, которое можно принять равным 0,9–0,95 номинального;
ZC MIN — сопротивление энергосистемы в минимальном режиме работы до места установки неселективной отсечки; kЗ — коэффициент запаса, kЗ = 1,1–1,2;
k0 — коэффициент, учитывающий допустимое снижение напряжения при трехфазных КЗ; в приближенных расчетах для обеспечения динамической стойкости синхронных генераторов k0 ≥ 1,5, синхронных электродвигателей — k0 ≥ 1,0 [4, 5].
Кроме этого, необходимо, чтобы при КЗ в общей зоне действия отсечек на линии W2 собственное время срабатывания отсечки ТО2 не превышало время срабатывания неселективной отсечки НО1.
2.3. Максимальные токовые защиты
Максимальные токовые защиты (МТЗ) — это токовые защиты максимального типа, селективность действия которых обеспечивается выбором различных выдержек времени срабатывания.
Как правило, МТЗ используются в электрических сетях с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждого контролируемого объекта со стороны источника питания (рис. 2.7).
Выдержки времени срабатывания защит должны нарастать по мере приближения к источнику питания: tС31 > tC32 > tC33> tC3H4.
При КЗ на линии W3 (например, в точке КЗ) токи в линиях от источника до точки КЗ увеличатся и все три обтекаемые током КЗ защиты MT31—MT33 могут начать действовать. Среди перечисленных защит МТЗЗ имеет наименьшую выдержку времени и поэтому срабатывает первой, отключая только поврежденную линию W3. Остальные защиты вернутся в исходное состояние, так и не успев сработать.
При КЗ на линии W2 (в точке К2) током КЗ обтекаются защиты МТЗ1 и МТЗ2. Из них меньшей выдержкой времени обладает МТЗ2. Именно она должна сработать первой и отключить поврежденную линию W2.
При КЗ на линии W1 должна сработать защита МТЗ1.
2.3.1. Выбор уставок МТЗ
Ток срабатывания МТЗ выбирается исходя из следующих условий.
Во-первых, ток срабатывания должен быть больше максимального рабочего тока, чтобы защита не действовала при нормальной работе системы:
IC3 MAX > IАБ МАХ.
Во-вторых, ток возврата защиты должен быть больше тока самозапуска в послеаварийном режиме работы системы, чтобы защита возвращалась в исходное положение после селективного отключения поврежденного оборудования другой защитой:
IВЗ > IСЗП.
Так, при КЗ в начале линии W2 (рис. 2.8) токи в местах установки защит МТЗ1 и МТЗ2 увеличиваются, токовые реле этих защит срабатывают и реле времени начинают отсчет установленных на них выдержек времени. Одновременно снижается напряжение на шинах подстанции ПС2 и двигатели М, также питающиеся от шин этой подстанции, затормаживаются. Часть из них при этом отключается, другая часть в соответствии с технологическими требованиями остается подключенной к сети. После отключения линии W2 защитой МТЗ2 начинается процесс самозапуска этих двигателей, при котором ток в месте установки МТЗ1 равен току самозапуска электродвигателей. В этих условиях необходимо, чтобы МТЗ1 все же вернулась в исходное состояние, прервав отсчет времени.
Учитывая, что ток срабатывания защиты и ток ее возврата связаны коэффициентом возврата (kв = IBЗ /IС), а также используя коэффициент запаса kЗ, второе условие можно переписать в виде:
Для реле РТ-40, РТ-80, РТ-90 kЗ = 1,1–1,2, kВ = 0,8–0,85 [4].
Если максимальное значение тока самозапуска неизвестно, его можно определить приближенно на основании коэффициента самозапуска, показывающего, во сколько раз ток самозапуска больше максимального рабочего тока. Тогда:
Здесь IСЗ и kСЗП — соответственно ток самозапуска электродвигателей в месте установки защиты и коэффициент самозапуска.
Выдержки времени срабатывания МТЗ при каскадном соединении линий должны возрастать по мере приближения к источнику питания (см. рис. 2.7):
где tСЗ H4 — время срабатывания собственной защиты нагрузки;
Δ t — ступень селективности; при использовании электромеханических реле времени Δ t = 0,4–0,6 с.
2.3.2. Схемы МТЗ
Полная звезда (трехфазная трехрелейная схема, рис. 2.9; kCX = 1) применяется редко, так как в сетях 6-35 кВ при двойных замыканиях на землю она может приводить к неселективному отключению поврежденных линий. Чувствительность такой защиты, установленной на трансформаторах 110 кВ и выше, необходимо искусственно снижать, не допуская действия защиты при внешних однофазных КЗ. В сетях 110 кВ и выше обычно используют дистанционную защиту [5].
Неполная звезда (двухфазная двухрелейная или трехрелейная схема, рис. 2.10) используется для защиты в электрических сетях 6-35 кВ, то есть в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью, где не может быть однофазных КЗ. Для уменьшения вероятности неселективных отключений при двойных замыканиях на землю ТТ во всей сети устанавливают на одноименных фазах (обычно А и С). На трансформаторах со схемами соединения обмоток «звезда/треугольник» (Y/Δ) и «треугольник/звезда» (Δ/Y), а также на линиях, питающих такие трансформаторы, следует использовать трехрелейную схему [5]: при двухфазном КЗ на стороне низшего напряжения (НН) трансформатора ток КЗ в одной из фаз на стороне высшего напряжения (ВН) будет в два раза выше, чем в двух других. В одном из трех случаев двухфазных КЗ этой фазой будет являться фаза B, не охваченная защитой, и чувствительность защиты снизится в два раза. Для повышения чувствительности в этом случае в обратный провод двухфазной схемы следует включить дополнительное реле KA3 (показано пунктиром на рис. 2.10).
Треугольник (обмотки реле соединяются по схеме звезды, а вторичные обмотки трансформаторов тока — по схеме треугольника, рис. 2.11; kCX = √3; схема оперативного тока такая же, как для полной звезды — см. рис. 2.9) используется для защиты трансформаторов 35 кВ и выше.
Защита, выполненная по этой схеме, не действует при внешних однофазных КЗ (в отличие от схемы полной звезды).
На двухобмоточных трансформаторах со схемой соединения обмоток «звезда/треугольник» (Y/Δ) одно из трех реле может быть исключено [5] без ухудшения чувствительности защиты (реле KA2 на рис. 2.11).
Неполный треугольник (двухфазная однорелейная схема, рис. 2.12; kCX = √3) ввиду значительных недостатков допустимо использовать только для защиты электродвигателей выше 1 кВ мощностью не более 2 МВт [3, 5]. Этот способ соединения вторичных токовых цепей иногда называют схемой включения реле «на разность токов двух фаз».
2.4. Трехступенчатые токовые защиты
Для того чтобы обеспечить надежную защиту электрических сетей при повреждениях, часто недостаточно использовать защиту одного вида. Так, токовые отсечки обеспечивают быстрое выявление повреждений, но имеют зоны нечувствительности в конце контролируемого объекта. МТЗ имеют достаточно протяженные зоны действия, но их приходится выполнять с большими выдержками времени срабатывания, особенно на головных участках сетей, где требуется высокое быстродействие. Для того чтобы максимально использовать достоинства защит разных типов, их объединяют в один комплекс.
Наибольшее распространение получили трехступенчатые токовые защиты. В качестве первой ступени используются токовые отсечки мгновенного действия (селективные токовые отсечки). В качестве второй — токовые отсечки с выдержкой времени срабатывания (неселективные токовые отсечки). В качестве третьей ступени — МТЗ.
Трехступенчатые токовые защиты могут быть неполными. Например, на головной линии W1 (рис. 2.13), как правило, устанавливаются все ступени защиты. На смежных с головным участком сети линиях (W2) чаще используют только две ступени: первую и третью. На удаленных от источника питания объектах сети (линия W3) обычно достаточно только третьей ступени защиты — МТЗ.
Расчеты целесообразно вести начиная с наиболее удаленной от источника питания линии (W3). Первичный ток срабатывания третьей ступени защиты 3 определяется так:
где IС ЗАП W3 и IРАБ МАХ W3 — соответственно значение тока самозапуска в послеаварийном режиме и максимальное значение рабочего тока в линии W3 в нормальном режиме;
kЗ — коэффициент запаса (для защит, имеющих выдержку времени);
kв — коэффициент возврата;
kС ЗАП W3 — коэффициент самозапуска для линии W3.
Выдержка времени срабатывания третьей ступени защиты 3:
где tC3 Н4 — максимальное время срабатывания защит нагрузок, с которыми третья ступень защиты 3 может иметь общую зону действия;
Δt — ступень селективности.
Параметры срабатывания МТЗ второй и первой линий определяются аналогично:
Первичный ток срабатывания первой ступени (отсечки мгновенного действия) второй линии:
Аналогично определяется ток срабатывания первой ступени защиты 1:
Вторая ступень защиты 1 должна быть отстроена от тока срабатывания первой ступени защиты, установленной на следующей (второй) линии:
где k3 1–2 и k3 2–1 — коэффициенты запаса по току второй ступени защиты первой линии и первой ступени второй линии соответственно; в общем случае значения этих коэффициентов различны, так как первая ступень защиты не имеет выдержки времени, а вторая — с целью обеспечения селективности действия — имеет.
По времени вторая ступень защиты 1 также должна быть отстроена от времени действия быстродействующих защит отходящих присоединений (вторая линия), с которыми имеет общую зону действия:
где tC3 2–1 — время действия первой ступени защиты 2.
Токи срабатывания реле (вторичные токи) отдельных ступеней защит вычисляются так:
где IC3 — первичный ток срабатывания соответствующей ступени защиты;
kСХ — коэффициент схемы;
kт — коэффициент трансформации ТТ защиты.
Базовая схема токовой трехступенчатой защиты, устанавливаемой на отходящей линии электропередачи 10 кВ, показана на рис. 2.14.
Чувствительность первых ступеней защит оценивается по величине зоны действия. Зона действия, как правило, определяется графически.
Чувствительность вторых ступеней может оцениваться по величине зоны действия или по значению коэффициента чувствительности. Если зона действия второй ступени полностью охватывает контролируемую линию, то третья ступень защиты этой линии выполняет только резервные функции. Если же зона действия второй ступени меньше длины контролируемой линии, то третья ступень защиты линии является основной.
Чувствительность третьих ступеней защит оценивается по коэффициенту чувствительности, как у отдельных МТЗ.
2.5. Направленные токовые защиты
Направленная защита — это защита, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ [2].
2.5.1. Принцип действия
В электрических сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях обычные токовые защиты не могут действовать селективно. Например, в электрической сети с двумя источниками питания (рис. 2.15), где выключатели и защиты установлены с обеих сторон каждой линии, при повреждении в точке К1 должны выполняться следующие условия выбора выдержек времени срабатывания МТЗ:
tСЗ 2 < tСЗ 3 < tСЗ 4 < tСЗ 5 < tСЗ 6.
При КЗ в точке K2:
tСЗ 1 < tСЗ 2 < tСЗ 3 и tСЗ 4 < tСЗ 5 < tСЗ 6.
При КЗ в точке K3:
tСЗ 1 < tСЗ 2 < tСЗ 3 < tСЗ 4 < tСЗ 5.
Как видно, эти требования противоречивы и не могут быть выполнены в одной системе защит.
Для обеспечения селективного действия токовых защит в этих условиях необходимо использовать дополнительный признак, характеризующий расположение места повреждения относительно защит. В качестве этого признака можно использовать направление мощности КЗ в месте установки защиты.
Для того чтобы обеспечить селективное действие МТЗ, нужно разрешить действовать только тем защитам, направление мощности КЗ в месте установки которых — от шин к линии. Тогда выполнять согласование по времени срабатывания необходимо только для тех защит, которым действие разрешено (рис. 2.16).
С учетом этого, при коротком замыкании в точке К1:
tСЗ 2 < tСЗ 4 < tСЗ 6;
в точке K2:
tСЗ 1 < tСЗ 3 и tСЗ 4 < tСЗ 6;
в точке K3:
tСЗ 1 < tСЗ 3 < tСЗ 5.
При таких условиях требования к соотношению выдержек времени срабатывания отдельных защит, обеспечивающие их селективное действие, не противоречат друг другу. Следовательно, система защиты реализуема.
2.5.2. Реле направления мощности
Для того чтобы определить направление мощности, передаваемой по контролируемой электрической сети, в месте установки защиты используют специальное реле — реле направления мощности. Отечественная промышленность выпускает реле направления мощности двух видов: индукционные (серий РБМ-170 и РБМ-270) и микроэлектронные (типа РМ-11 и РМ-12) [3].
Индукционное реле направления мощности [2, 3] имеет две обмотки, размещенные на полюсах замкнутого стального магнитопровода 1 (рис. 2.17). Одна из них, токовая (4) включается во вторичные цепи ТТ, и ток в ней (Ip) определяется вторичным током ТТ. Вторая — потенциальная (5) — подключается ко вторичной обмотке трансформатора напряжения (ТН), и ток в ней (IH) пропорционален подведенному напряжению (UH). Между полюсами расположен внутренний стальной сердечник 2 цилиндрической формы и алюминиевый ротор 3, имеющий форму стакана. На роторе укреплен контактный мостик 6. При направлении мощности КЗ от шин в линию этот мостик замыкает неподвижные выходные контакты 7 (реле срабатывает). Возврат реле происходит под воздействием противодействующей пружины 8.
Магнитные потоки, создаваемые катушками с соответствующими токами, сдвинуты в пространстве на угол 90°. Взаимодействие потоков с токами, индуктированными ими в роторе, создает вращающий момент, который заставляет ротор поворачиваться. Если магнитные потоки имеют синусоидальную форму, то вращающий момент МВР ~ ФI × ФU × sinΨ. Здесь ФI и ФU — магнитные потоки, создаваемые токовой и потенциальной катушками соответственно; T — электрический угол между магнитными потоками ФI и ФU .
На рис. 2.18 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип действия реле. Приняты следующие обозначения: Íp и ÚH — векторы тока и напряжения, подведенных к реле; φр — угол между векторами Íp и ÚH, определяемый параметрами силовой электрической сети и схемой включения реле; ÍH — вектор тока в потенциальной катушке реле; α — угол между векторами ÍH и Ú H (угол внутреннего сдвига), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи потенциальной катушки.
Учитывая, что ФI ~ I p , ФU ~ IH ~ UH, а Ψ = α — φр, можно получить:
MBP = kp × UH × IP × sin (α — φр).
В этом выражении kp — постоянный коэффициент, определяемый параметрами реле, а UH × Ip × sin (α − φр) = Sp — мощность на зажимах реле. Следовательно, вращающий момент реле пропорционален мощности: MBP = kp × Sp, то есть реле реагирует на мощность.
Вращающий момент реле равен нулю, когда sin (α — φр) = 0. Отсюда следует, что MBP = 0, если φр = α при отставании и если φр = (α + 180°) при опережении вектором Íp вектора ÚH. Линия, расположенная под этим углом к вектору ÚH, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента [2, 3].
Угол φр между векторами ÍP и ÚH, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, принято называть углом максимальной чувствительности φМЧ. Линия, расположенная к вектору ÚH под углом φМЧ, называется линией максимального момента.
Если внутренний угол α = 0 (рис. 2.19, а), то вращающий момент MBP = kp × UH × Ip × sin (−φр) в реле пропорционален реактивной мощности, подведенной к реле (синусное реле или реле реактивной мощности). Эти реле выполняют так, что MBP положителен, если угол φр < 0 (то есть MBP = kp × UH × Ip × sin φр). Угол максимальной чувствительности для синусного реле φМЧ = 90°.
Если внутренний угол α = 90° (рис. 2.19, б), то вращающий момент
MBP = kp × UH × IP × sin (90 − φр) = kp × UH × IP × cos φр
пропорционален активной мощности, подведенной к реле (косинусное реле или реле активной мощности). Для косинусного реле φМЧ = 0°.
В реле смешанного типа (см. рис. 2.18) угол а может иметь значения от 0° до 90°. У отечественных реле смешанного типа (РБМ-171, РБМ-271) угол а изменяется дискретно: α = 45° (φМЧ = 45°) или α = 60° (φмч = 30°).
Срабатывание реле направления мощности происходит при выполнении условия:
MBP ≥ МПР,
где МПР — противодействующий момент, который определяется силой противодействия возвратной пружины, трением в подшипниках реле и силой нажатия контактов при срабатывании реле.
Поскольку вращающий момент реле пропорционален подведенной к нему мощности, то реле срабатывает при определенном произведении UH × Ip. Минимальное значение мощности на зажимах реле, при котором оно срабатывает, принято называть мощностью срабатывания реле SCP. Для большинства индукционных реле SCP = (0,2 − 4) B × A.
Чувствительность реле оценивается по вольт-амперной характеристике, которая представляет собой зависимость напряжения срабатывания реле от тока (рис. 2.20, а), при неизменном угле между векторами ÚH и Íp равном углу максимальной чувствительности [3].
Зависимость мощности срабатывания реле от угла между векторами ÚH и Íp при неизменном токе принято называть угловой характеристикой реле (рис. 2.20, б) [2]. Она определяет зоны срабатывания и несрабатывания реле. Как видно, при углах, соответствующих изменению направления вращающего момента, мощность срабатывания возрастает и стремится к бесконечности. При φр = φМЧ мощность срабатывания реле имеет минимальное значение.
Принцип действия микроэлектронных статических реле направления мощности РМ-11 и РМ-12 основан на измерении длительности интервалов времени, при котором напряжение и ток, подведенные к реле, имеют одинаковый знак. Время совпадения знака сигналов измеряется в течение каждого полупериода и сравнивается с уставкой. При определенной продолжительности времени совпадения знаков сигналов реле срабатывает. Эти реле превосходят индукционные по многим основным характеристикам и широко используются в системах релейной защиты [3].
2.5.3. Схемы направленных защит
В отечественных энергосистемах принято использовать в направленных токовых защитах так называемую 90-градусную схему включения реле направления мощности смешанного типа. При этом в токовую катушку первого реле подается через ТТ ток фазы А, а к его потенциальной катушке подводится через ТН линейное напряжение ВС (рис. 2.21, а) [2]. Угол между этими векторами составляет 90°. Отсюда и произошло название схемы включения реле. Такое сочетание сигналов, подводимых к реле, улучшает его работоспособность при близких КЗ.
Для трехфазного исполнения защиты ÍP1 = ÍA; ÚP1 = ÚBC; ÍP2 = ÍB; ÚP2 = ÚCA; ÍP3 = 4; ÚP3 = ÚAB, где ÍP1, ÍP2, 4 — вектoры токов 15 токовых катушках первого, второго и третьего реле направления мощности; ÍA ÍB, ÍC — векторы вторичных токов соответствующих фаз; ÚP1, ÚP2, ÚP3 — векторы напряжений, подведенных к потенциальным катушкам первого, второго и третьего реле направления мощности; ÚAB, ÚBC, ÚCA — векторы вторичных линейных напряжений.
На рис. 2.21, б показана векторная диаграмма реле направления мощности, соответствующая 90-градусной схеме включения реле с углом внутреннего сдвига α = 45° (φМЧ = −45°) в симметричном режиме контролируемого объекта. Вектор тока ÍA отстает от вектора фазного напряжения ÚA при КЗ на контролируемом объекте (например, линии) на угол φКЗ, определяемый соотношением активной и реактивной составляющих сопротивления контролируемой линии (см. рис. 2.21, а). Вектор ÍА имеет два предельных положения. Одно — ÍAI — при КЗ за чисто индуктивным сопротивлением (φКЗ = 90°). Другое — ÍAII — при КЗ за чисто активным сопротивлением (φКЗ = 0°, например, при КЗ вблизи места установки реле). Это означает, что угол φp между векторами тока ÍP = ÍPI = ÍA и напряжения ÚH = ÚP1 = ÚBC, подведенными к реле, φp = −(90° − φКЗ) и может изменяться в симметричном режиме от 0 до 90° (вектор тока опережает вектор напряжения).
Как видно, вращающий момент реле при трехфазных КЗ в зоне действия защиты положителен и близок к максимальному; следовательно, реле надежно срабатывает. При трехфазных КЗ вне зоны вращающий момент изменяет свое направление на противоположное φр ∈ [180°… 270°] и реле столь же надежно не срабатывает.
2.5.4. Выбор параметров срабатывания направленных токовых защит
Направленные МТЗ необходимо отстраивать от максимальных рабочих токов с учетом самозапуска электродвигателей в послеаварийных режимах после отключения смежного присоединения, то есть так же, как и обычные ненаправленные МТЗ:
В сетях с глухозаземленной нейтралью направленные МТЗ должны быть также отстроены от токов, возникающих в неповрежденных фазах при однофазных и двухфазных КЗ на землю (если не используется блокировка действия от защит, действующих при замыканиях на землю) [2]:
IСЗ = kЗ × IНФ,
где kЗ — коэффициент запаса (kЗ = 1,15-1,3);
IНФ = IРАБ MAX + k0 × IК0 — максимальное значение тока в неповрежденной фазе;
k0 — доля тока КЗ в неповрежденной фазе k 0 < 1;
IК0 — максимальное значение тока при однофазном или двухфазном КЗ на землю.
Большее из значений, полученных по первому и второму условиям, принимается за расчетное.
Еще одной мерой, призванной исключить неправильное действие реле направления мощности неповрежденных фаз, является использование особых схем защит (с так называемым пофазным пуском), которые подают сигнал на отключение объекта только тогда, когда срабатывают токовое реле и включенное на ток той же фазы реле направления мощности [2]. Пример схемы двухфазной направленной МТЗ с пофазным пуском показан на рис. 2.22.
Дополнительно смежные защиты, действующие в одном направлении, должны быть согласованы по чувствительности. Токи срабатывания защит должны нарастать при их обходе против направления действия с приращением не менее 10 %. Иначе при токах КЗ, близких по значению к токам срабатывания защит, некоторые из них могут подействовать неселективно.
Защиты необходимо отстраивать от максимальных токов в местах их установок независимо от направления действия защиты и направления передачи мощности для исключения ложного срабатывания при повреждениях цепей напряжения защиты [2]. Если при этом чувствительность защиты недостаточна, то допускается использовать в качестве расчетного ток, соответствующий передаче мощности в направлении действия защиты.
Выдержки времени срабатывания выбираются по условию обеспечения селективности. Согласуются защиты, действующие в одном направлении. Время срабатывания защит должно нарастать ступенчато с приращением Д t при обходе их против направления действия (см. рис. 2.16):
Здесь tC3 H1 и tC3 H4 — время срабатывания защит, установленных на присоединениях Н1 и Н4 соответственно.
Участок контролируемой электрической сети вблизи места установки защиты, в пределах которого реле направления мощности при КЗ может не сработать из-за недостаточной мощности на его зажимах (Up → 0), принято называть мертвой зоной.
Границу этой зоны можно определить, опираясь на следующие рассуждения [2]. Пусть напряжение срабатывания реле при КЗ на границе мертвой зоны равно:
Здесь IPK — значение тока в токовой катушке реле при повреждении в начале контролируемого объекта (в месте установки защиты); φp — угол между векторами тока и напряжения, подведенными к реле.
При 90-градусной схеме включения реле φp = −(90°− φ). Угол φКЗ между векторами тока и напряжения в первичной цепи определяется соотношением удельных реактивного (хУД) и активного (rУД) сопротивлений контролируемого объекта:
Первичное фазное напряжение срабатывания реле:
где kTH — коэффициент трансформации трансформатора напряжения.
Сопротивление мертвой зоны:
Тогда протяженность мертвой зоны:
где
2.6. Дифференциальные защиты трансформаторов
Принцип действия дифференциальных защит основан на пофазном сравнении токов параллельно установленных защищаемых объектов (поперечные дифференциальные защиты) или токов до и после защищаемого объекта (продольные дифференциальные защиты).
В отличие от рассмотренных выше максимальных токовых защит (с относительной селективностью) дифференциальные защиты обладают свойством абсолютной селективности.
Дифференциальная токовая защита используется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов мощностью 6,3 МВА и выше, параллельно работающих трансформаторов мощностью 4 МВ-А и выше, а также трансформаторов мощностью 1 МВ-А и выше, если токовая отсечка последних не обладает достаточной чувствительностью, а МТЗ имеет выдержку времени более одной секунды [3].
Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей, отличающих ее от продольных дифференциальных защит линий [2, 3, 4].
Во-первых, фазные токи до и после защищаемого трансформатора отличаются по величине уже в нормальном режиме его работы (при отсутствии повреждений в зоне действия дифференциальной защиты). Эта ситуация практически может быть разрешена предварительным выравниванием токов в плечах защиты (то есть за ТТ на сторонах ВН и НН) за счет подбора ТТ с нужными коэффициентами трансформации. Кроме того, для реализации дифференциальной защиты промышленностью выпускаются специальные реле серий РНТ и ДЗТ, содержащие уравнительные обмотки с регулируемыми числами витков для дополнительного выравнивания токов в плечах защиты.
Во-вторых, токи на сторонах ВН и НН защищаемого трансформатора могут отличаться еще и по фазам, когда способы соединения первичных и вторичных обмоток силового трансформатора не совпадают. В этом случае выравнивание вторичных токов достигается изменением способов соединения вторичных обмоток ТТ на обратное по отношению к защищаемому трансформатору (рис. 2.23).
В-третьих, при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты необходимо обязательно учитывать бросок тока намагничивания при включении (восстановлении питания) защищаемого силового трансформатора.
В-четвертых, при отстройке тока срабатывания защиты от тока небаланса нужно учитывать две дополнительные составляющие этого тока. Первая обусловлена неполным выравниванием действия вторичных токов при подборе коэффициентов трансформации ТТ или при вынужденном выставлении округленных значений чисел витков уравнительных обмоток. Вторая составляющая вызвана наличием регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН).
Получили распространение следующие разновидности дифференциальных защит трансформаторов: дифференциальная токовая отсечка, дифференциальная защита без торможения и дифференциальная защита с торможением [2, 3, 4].
Дифференциальная токовая отсечка выполняется на основе обычных токовых реле РТ-40, включенных без насыщающихся ТТ (рис. 2.24). Основное достоинство дифференциальной отсечки — простота и связанные с этим дешевизна и меньшая сложность при выборе уставок. Однако главный недостаток такой защиты — большой ток срабатывания — часто приводит к недостаточной чувствительности и, соответственно, невозможности использования этой разновидности дифференциальной защиты.
Дифференциальная защита без торможения на основе реле серии РНТ (РНТ-565) используется, главным образом, на трансформаторах без РПН. Упрощенная схема реле РНТ-565 представлена на рис. 2.25.
Здесь wBT — вторичная обмотка; wK3 — короткозамкнутая обмотка; wPAB — рабочая обмотка, число витков которой может быть выставлено в интервале от 8 до 35 с точностью до одного витка; wУP 1 и wУP 2 — уравнительные обмотки, для каждой из которых может быть выставлено число витков от 0 до 34 также с шагом в один виток.
Благодаря использованию в конструкции реле насыщающегося ТТ (НТТ) и короткозамкнутой обмотки удается снизить ток срабатывания защиты и повысить ее чувствительность. Схема одного из возможных вариантов исполнения дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора на основе реле РНТ-565 представлена на рис. 2.26.
Дифференциальную защиту с торможением на основе реле серии ДЗТ (например, ДЗТ-11) обычно устанавливают на трансформаторах с РПН. На упрощенной схеме реле ДЗТ-11 (рис. 2.27) wT — так называемая обмотка торможения, число витков которой может быть выставлено из следующего ряда: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 18, 24. Характеристики рабочей и уравнительных обмоток те же, что и для реле РНТ-565. Благодаря наличию обмотки торможения на магнитопроводе НТТ ток срабатывания защиты выбирают только по условию отстройки от броска тока намагничивания (ток небаланса не учитывают). Обычно это приводит к еще большему увеличению чувствительности защиты. Однако существуют ситуации, когда большей чувствительностью обладает все же защита на основе реле РНТ, поэтому в общем случае может быть рекомендован алгоритм выбора разновидности защиты, предполагающий проверку возможности использования каждой из трех перечисленных выше защит в том же порядке.
2.6.1. Выбор тока срабатывания дифференциальных защит
Расчеты дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов с большим диапазоном регулирования напряжения (AUj,^ % > 10 %) следует начинать со стороны ВН, так как именно на этой стороне установлено устройство РПН [4].
Ток срабатывания дифференциальной защиты отстраивается от броска тока намагничивания (для всех защит) и от тока небаланса (кроме защиты с торможением), то есть соответственно:
где kOT CP — коэффициент отстройки от броска тока намагничивания, для дифференциальной токовой отсечки kОТ СР ≈ (3,4–4), для реле типа РНТ kOT CP = 1,3, для реле ДЗТ — kOT CP = 1,5;
IHOM Т — номинальный ток трансформатора;
kЗ — коэффициент запаса, для дифференциальной токовой отсечки и для реле типа РНТ k3 = 1,3, для реле ДЗТ — k3 = 1,5;
IНБ — ток небаланса.
При наличии РПН бросок тока намагничивания рассчитывают для его (РПН) крайнего «отрицательного» положения [4]:
где ST — номинальная мощность трансформатора;
UHOM 1 — его номинальное первичное напряжение;
ΔUPПН — половина полного диапазона регулирования напряжения на стороне ВН, относительное значение.
Ток небаланса включает в себя три составляющие:
Первая обусловлена погрешностью ТТ:
Вторая составляющая тока небаланса вызвана наличием РПН:
Третья обусловлена невозможностью установки на коммутаторах реле РНТ и ДЗТ расчетных дробных чисел витков:
или неполным выравниванием токов в плечах защиты при подборе ТТ:
где wВН РАСЧ — расчетное число витков уравнительной обмотки, включенной на стороне ВН;
wВН — принятое целое число витков той же обмотки;
I2 BH и I2 HH — средние значения вторичных номинальных токов за ТТ на сторонах ВН и НН соответственно:
Здесь kCX — коэффициент, учитывающий схему включения вторичных обмоток ТТ и обмоток реле, kCX BH = √3, kCX HH = 1; kTT — коэффициенты трансформации ТТ, установленных на сторонах ВН и НН защищаемого силового трансформатора.
2.6.2. Расчет числа витков обмоток реле РНТ-565 и ДЗТ-11
Определяется ток срабатывания реле для стороны ВН:
Рассчитывается и округляется в меньшую сторону число витков уравнительной обмотки на стороне ВН (первой, см. рис. 2.26):
где FCP — магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания реле, для реле РНТ-565 и ДЗТ-11 FCP = 100 ± 5 A витков. Рассчитывается и округляется в ближайшую сторону число витков второй уравнительной обмотки (включенной на стороне НН):
2.6.3. Проверка чувствительности защиты
Рассчитывается коэффициент чувствительности защиты:
где IP MIN — ток в реле, соответствующий минимальному току повреждения в зоне действия, от которого защита должна сработать;
ICP — ток срабатывания реле для той же стороны, для которой выше был определен IP MIN.
Обычно необходимо, чтобы kЧ ≥ 2, в крайнем случае kЧ ≥ 1,5 [4].
2.6.4. Особенности расчета дифференциальной защиты без торможения
Производится предварительный расчет тока срабатывания защиты без учета неизвестной третьей составляющей тока небаланса. Далее осуществляется предварительная (по той же причине) проверка чувствительности защиты. Если защита по чувствительности проходит, производится расчет чисел витков уравнительных обмоток, уточняется значение тока небаланса и проверяется надежность отстройки тока срабатывания защиты от уточненного значения тока небаланса. Если отстройка не обеспечена, расчет повторяется вновь для нового значения тока срабатывания, отстроенного от уточненного тока небаланса. Далее, как и для любой разновидности дифференциальной защиты, производится окончательный расчет коэффициента чувствительности и выполняется проверка трансформаторов тока на 10 %-ную погрешность.
2.6.5. Особенности расчета дифференциальной защиты с торможением
Первая особенность связана с отсутствием необходимости учета тока небаланса при выборе тока срабатывания защиты и, соответственно, в упрощении процедуры расчета, которая для реле серии РНТ имела, возможно, рекурсивный характер.
Вторая особенность связана с необходимостью расчета числа витков тормозной обмотки и выбором места ее включения. На двухобмоточных понижающих трансформаторах тормозную обмотку включают в плечо защиты, противоположное стороне источника питания (рис. 2.28), чтобы загрубление действия реле происходило только при внешних КЗ (при повреждениях в зоне действия защиты тормозная обмотка током КЗ не обтекается). Число витков обмотки:
tgα — справочная величина, учитывающая тормозные свойства реле, для реле ДЗТ-11 tgα = 0,87.
2.7. Защита предохранителями
Работа плавких предохранителей основана на тепловом действии тока. В нормальных условиях (при токе не более номинального) температура плавкой вставки предохранителя не превышает температуру плавления материала, из которого она изготовлена. При токе больше номинального в предохранителе возникает избыток тепла, температура плавкой вставки повышается и может достигнуть через определенное время значения температуры плавления. Расплавление плавкой вставки предохранителя приводит к разрыву электрической цепи, в которую он последовательно включен.
При определенных (стабильных) параметрах внешней среды предохранителя время расплавления плавкой вставки зависит от тока. Чем больше ток, тем меньше время расплавления плавкой вставки и, следовательно, полное время срабатывания предохранителя. Зависимости времени срабатывания предохранителей от тока обычно представляются в графическом виде. Их принято называть времятоковыми (защитными) характеристиками предохранителей.
Таким образом, предохранитель, включенный последовательно с контролируемой электрической цепью, обеспечивает выявление в ней повреждений, сопровождающихся повышением тока, и отключение этой цепи в случае ее повреждения (срабатывания предохранителя).
Реальные времятоковые характеристики предохранителей могут отличаться от характеристик, предоставляемых заводами-изготовителями. Так, разброс времени срабатывания предохранителей с номинальным напряжением ниже 1000 В может достигать ±50 % (рис. 2.29, а). У предохранителей с номинальным напряжением выше 1 кВ для любого времени срабатывания отклонения значений тока срабатывания не должны превышать ±20 % (рис. 2.29, б) [3].
Для обеспечения селективного действия предохранителей их согласование производится по расчетным характеристикам. Они строятся на основе заводских характеристик с учетом возможного разброса (см. рис. 2.29). Расчетные характеристики являются, по сути, границами диапазона, в котором может находиться реальная характеристика предохранителя. Условия селективного действия предохранителей должны выполняться для всего диапазона (семейства) характеристик каждого из согласуемых предохранителей.
Селективность действия защит на предохранителях достигается за счет разных значений времени срабатывания отдельных предохранителей. Первым из предохранителей, входящих в цепь питания места КЗ, срабатывает предохранитель, имеющий наименьшее время срабатывания. Он должен быть установлен ближе к месту повреждения, а время срабатывания других предохранителей должно нарастать по мере приближения к источнику питания. Таким образом, с помощью предохранителей реализуется принцип МТЗ.
Для оценки селективности и согласования защит электрической сети расчетные времятоковые характеристики предохранителей строятся в диапазоне токов от нуля до максимально возможного значения тока в каждом предохранителе. Максимально возможный ток в предохранителе — это ток при трехфазном КЗ в месте установки предохранителя в максимальном режиме электрической системы.
Например, в магистральной электрической сети с линией электропередачи W1 установлены три предохранителя F1, F2, F3 (рис. 2.30, а). Характеристика головного предохранителя F1 должна быть построена в диапазоне токов от нуля до значения тока в этом предохранителе при трехфазном КЗ в точке К1; характеристика предохранителя F2 на первом присоединении — до значения тока в этом предохранителе при трехфазном КЗ в точке К2; характеристика предохранителя F3 на втором присоединении — до значения тока в этом предохранителе при трехфазном КЗ в точке К3, как показано на рис. 2.30, б. Здесь tCP — время срабатывания предохранителя; IПP — ток в предохранителе; IНОМ F1, IНОМ F2, IНОМ F3 — номинальные токи предохранителей F1, F2, F3 соответственно; IK1, IK2, IK3 — токи в предохранителях при КЗ в точках К1, К2 и К3 соответственно.
Задача
Пусть имеется радиальная электрическая цепь с тремя предохранителями (рис. 2.31, а), в которой значения номинальных токов нагрузок Н1 и Н2 равны значениям номинальных токов предохранителей F2 и F3 соответственно. Расчетные характеристики предохранителей показаны на рис. 2.31, б (tСР — время срабатывания предохранителя; IПР — ток в предохранителе; IНОМ F2 — значение номинального тока в предохранителе F2). Требуется определить:
1. Отличаются ли значения номинальных токов предохранителей?
2. Не сработает ли какой-либо из предохранителей в нормальных режимах (при токах нагрузок не больше номинальных)?
3. Как будет работать защита предохранителями при увеличении нагрузки (по току) Н1 вдвое и при номинальной нагрузке Н2?
4. Как будет работать защита предохранителями при увеличении нагрузки (по току) Н2 вдвое и при номинальной нагрузке Н1?
5. Как будет работать защита предохранителями при увеличении нагрузок (по току) Н1 и Н2 вдвое?
6. Как будет работать защита предохранителями при КЗ в точках К1, К2, К3?
7. В каких режимах не обеспечивается селективное действие предохранителей?
8. Как добиться правильной селективной работы защиты предохранителями в рассматриваемой электрической цепи?
Решение
1. Номинальным для предохранителя является ток, при котором он может работать длительное время, а время срабатывания стремится к бесконечности. По характеристикам, показанным на рис. 2.31, а, можно предположить, что значения номинальных токов предохранителей ответвлений F2 и F3 одинаковы (хотя защитные характеристики имеют разные формы). Значение номинального тока головного предохранителя F1 больше и равно примерно утроенному значению номинального тока предохранителя F2.
Рис. 2.31. (а) Схема радиальной электрической сети.
2. В нормальных режимах токи в предохранителях F2 и F3 не превышают номинального значения и эти предохранители не сработают. Ток в головном предохранителе F1 равен сумме токов двух нагрузок, и его максимальное значение есть сумма номинальных значений токов нагрузок Н1 и Н2 (два номинальных тока предохранителя F2). При этом токе головной предохранитель F1 не сработает. Следовательно, все предохранители в нормальном режиме будут работать правильно.
Рис. 2.31. (б) Времятоковые характеристики предохранителей
3. При двукратной перегрузке по току предохранителя F2 его время срабатывания равно t2. Ток в головном предохранителе равен сумме токов нагрузок, то есть трем номинальным токам предохранителя F2 (ток в предохранителе F3 соответствует номинальному значению). Это есть номинальный ток предохранителя F1, и головной предохранитель при этом токе не сработает. Следовательно, сработает только предохранитель F2 с выдержкой времени, равной t2.Условие селективности при этом соблюдается.
4. При двукратной перегрузке по току предохранителя F3 его время срабатывания равно t3. Токи в головном предохранителе F1и в предохранителе первого присоединения F2 равны своим номинальным значениям, поэтому эти предохранители не сработают. Следовательно, сработает только предохранитель F3 с выдержкой времени, равной t3. Условие селективности при этом также соблюдается.
5. При токах нагрузок, превышающих номинальные значения вдвое, время срабатывания предохранителя F2 равно t2, а время срабатывания предохранителя F3 равно t3. В этих условиях ток в головном предохранителе соответствует четырем номинальным токам предохранителя F2. Время срабатывания предохранителя F1 при этом токе равно t1, причем t1 < t2 < t3. Следовательно, первым сработает головной предохранитель F1. Условие селективной работы защиты при этом нарушается.
6. При КЗ в точке К1 увеличивается ток только в головном предохранителе F1. Время срабатывания этого предохранителя будет зависеть от значения тока в нем и определяться времятоковой характеристикой. Срабатывание предохранителя F1 вызовет отключение нагрузок Н1 и Н2 от источника питания, а предохранители F2и F3 останутся в исходном состоянии.
Если в исходном нормальном режиме работы электрической цепи возникнет КЗ в точке К2, то возрастет ток в предохранителе первого присоединения F2 и в головном предохранителе F1. Характеристики этих предохранителей таковы, что при любых общих токах КЗ в них время срабатывания предохранителя F2 меньше времени срабатывания предохранителя F1 (см. рис. 2.31, б). Следовательно, предохранитель F2 сработает первым и селективно отделит место повреждения от исправной части электрической цепи.
Если в исходном нормальном режиме рассматриваемой электрической цепи возникнет КЗ в точке К3, то возрастет ток в предохранителе второго присоединения F3 и в головном предохранителе F1. Характеристики этих предохранителей пересекаются при значении тока, равном примерно 3,5 номинального для предохранителя F3(см. рис. 2. 31, б ). При токах меньше этого значения время срабатывания предохранителя F3 меньше времени срабатывания предохранителя F1, а при токах больше этого значения время срабатывания предохранителя F3 больше времени срабатывания предохранителя F1. Следовательно, в данной ситуации при токах КЗ меньше указанного значения первым будет срабатывать предохранитель F3 и условие селективности будет соблюдаться. При токах же больше указанного значения первым сработает предохранитель F1 и оба (поврежденное и неповрежденное) присоединения потеряют питание. Здесь условие селективной работы предохранителей нарушается.
7. Селективное действие не обеспечивается в условиях, описанных в пунктах 5 и 6, то есть при токах в предохранителе F1,превышающих номинальный ток предохранителя F2 более чем в 3,5 раза.
8. Чтобы добиться селективной работы защиты предохранителями в рассматриваемой электрической цепи, необходимо, чтобы время срабатывания головного предохранителя было больше, чем время срабатывания предохранителей присоединений при всех возможных для них значениях тока. Для этого времятоковая характеристика предохранителя F1 не должна пересекать характеристик предохранителей F2 и F3, то есть должна располагаться выше этих характеристик (по оси tСР) во всем рассматриваемом диапазоне токов.
2.8. Защита от однофазных замыканий на землю
Защита от однофазных замыканий на землю может быть реализована на основе двух разных подходов [8]. Во-первых, путем общего (неселективного) контроля состояния изоляции сети относительно земли. Во-вторых, избирательно (селективно) действующими средствами, выявляющими замыкания на землю на отдельных присоединениях.
Общий контроль состояния изоляции и выявление однофазных замыканий на землю, как правило, основаны на непрерывном измерении напряжения нулевой последовательности в контролируемой электрической сети. При этом выявляется лишь факт возникновения замыкания. Но определить по напряжению нулевой последовательности, на каком из присоединений произошло повреждение, невозможно. Поэтому приходится их поочередно отключать. При отключении поврежденного присоединения напряжение нулевой последовательности в сети снижается до фонового уровня. Этот признак и используется при поиске повреждения.
В соответствии с определением симметричных составляющих напряжение нулевой последовательности представляется так:
Здесь ĖA0, ĖB0, ĖC0 — векторы э.д.с. фаз соответственно А, B, C относительно земли.
Отсюда следует, что в нормальном симметричном режиме, когда потенциал нейтрали сети равен нулю, а модули векторов ĖA0, ĖB0, ĖC0 равны соответствующим модулям векторов фазных э.д.с., напряжение нулевой последовательности в сети Ú = 0.
При замыкании фазы С на землю
Как видно, при металлическом замыкании фазы на землю модуль напряжения нулевой последовательности равен модулю фазной э.д.с. сети. Следовательно, действующее значение напряжения нулевой последовательности равно действующему значению фазного напряжения. Интегральное значение этого напряжения можно контролировать непосредственно с помощью реле, которое подключается к нейтрали сети через ТН (рис. 2.32).
Для контроля напряжения нулевой последовательности часто используется фильтр напряжения нулевой последовательности, построенный на основе трехфазного ТН, вторичные обмотки которого соединены по схеме разомкнутого треугольника (рис. 2.33) [8]. Для измерения текущих значений напряжения нулевой последовательности параллельно катушке реле напряжения KV подключается и вольтметр PV(см. рис. 2.32 и рис. 2.33).
Значение напряжения срабатывания (в масштабе первичных величин) выбирается по условию отстройки от максимально возможного напряжения нулевой последовательности, возникающего в контролируемой сети в нормальных для нее режимах:
UСЗ > U0HP MAX.
Здесь UСЗ — действующее (первичное) значение напряжения срабатывания защиты; U0HP MAX — наибольшее возможное в нормальных режимах действующее (первичное) значение напряжения нулевой последовательности в контролируемой сети.
Значение напряжения U0HP MAX определяется предельно допустимым потенциалом нейтрали (UN MAX), которое, в свою очередь, обусловлено степенью несимметрии емкостей фаз сети относительно земли:
UN MAX = (5 — 10) % UФ НОМ ,
где UФ НОМ — номинальное фазное напряжение сети.
Кроме этого, напряжение нулевой последовательности может возникать в сети как проявление замыканий на землю в смежных (внешних) сетях и погрешностей тракта измерений. В результате совместного воздействия этих двух факторов оно может составить 3–5 % UФ НОМ.
Принимая во внимание возможность появления напряжения нулевой последовательности под действием всех отмеченных факторов, как правило, выбирают:
UСЗ = 0,15UФ НОМ.
Напряжение срабатывания реле определяется с учетом коэффициента трансформации ТН (kТН):
UСР = UСЗ / kТН.
При стандартном значении максимального выходного напряжения трансформатора (фильтра) напряжения нулевой последовательности 100 В напряжение срабатывания реле равно 15 В. Это значение напряжения срабатывания иногда устанавливается без расчетов, так как оно соответствует минимально возможному напряжению срабатывания реле типа РН-53/60Д, используемого в защитах.
Время срабатывания защиты выбирается исходя из требований отстройки от действия основных (селективных) защит от однофазных замыканий на землю и может приниматься в диапазоне от 0,5 до 9 секунд.
Защиту от однофазных замыканий на землю, способную действовать селективно (автоматически выявлять поврежденное присоединение), можно выполнить по принципу контроля тока нулевой последовательности в присоединениях. Для реализации этого принципа на каждом присоединении устанавливается трансформатор (фильтр) тока нулевой последовательности (рис. 2.34), в цепь вторичной обмотки которого включается катушка реле тока (рис. 2.35).
При однофазном замыкании на землю на втором присоединении (в точке К1 ) ток нулевой последовательности в месте установки трансформатора ТА0-2 этого присоединения определяется суммарной емкостью исправной части сети, то есть суммарной емкостью всей сети, кроме собственной емкости поврежденного первого присоединения. Токи нулевой последовательности в местах установки других ТТ нулевой последовательности определяются только собственными емкостями присоединений, на которых установлены эти трансформаторы. Например, ток нулевой последовательности в месте установки ТА0-1 определяется емкостями первого присоединения. Если емкости отдельных присоединений примерно одинаковы и присоединений достаточно много, то ток нулевой последовательности поврежденного присоединения значительно больше, чем других, не поврежденных присоединений. Этот признак используется для автоматического выявления поврежденного присоединения. Таким образом, при возникновении однофазного замыкания на одном из присоединений срабатывает реле тока защиты, установленной на этом присоединении, и формируется сигнал на отключение именно поврежденного присоединения.
Ток срабатывания защиты выбирается по условию отстройки от собственного емкостного тока замыкания на землю контролируемого присоединения. Иными словами, ток срабатывания защиты должен быть больше собственного емкостного тока присоединения (IСПР) во всех нормальных режимах работы контролируемого присоединения и при повреждениях на смежных присоединениях:
ТСЗ > ТСПР.
Действующее значение первичного тока срабатывания защиты определяется так:
IСЗ = kЗ kБР IСПР,
где kЗ и kБР — соответственно коэффициент запаса и коэффициент отстройки от бросков емкостного тока в переходных режимах.
Значение емкостного собственного тока присоединения определяется в соответствии с п. 1.3:
Если конфигурация присоединения может изменяться (например, могут подключаться и отключаться участки кабельных линий или обмотки электрических машин), то в качестве расчетного значения емкости принимается максимально возможное значение.
При реализации защиты на электромеханической элементной базе коэффициент запаса принимается равным 1,2–1,3. Второй коэффициент kBP может иметь значения в диапазоне от 2 до 5. Меньшие значения выбираются, если защита выполняется на реле типа РТЗ-51; средние, если на РТЗ-50, и большие — если на РТ-40/0,2.
Ток срабатывания реле определяется так:
IСР = IСЗ/kТ0,
где kT0 — коэффициент трансформации ТТ нулевой последовательности.
Если расчетное значение тока срабатывания защиты меньше, чем минимально возможный ток срабатывания защиты (реле), то ток срабатывания защиты принимается равным этому технически достижимому минимальному значению.
Чувствительность защиты, установленной на присоединении с номером К, оценивается по значению коэффициента чувствительности:
kЧWK (IСW — IСWK) / IС3WK.
Здесь IСW — суммарный емкостной ток всей сети; IСWK — емкостной ток присоединения с номером К, на котором установлена защита; IС3WK — ток срабатывания защиты, установленной на присоединении К.
Некоторые данные, необходимые для выбора параметров срабатывания защит от однофазных замыканий на землю, приведены в прил. 9.
Пример
Пусть имеется электрическая сеть с шиной 10 кВ и присоединенными отходящими линиями (рис. 2.36). Параметры сети приведены в табл. 2.2. Требуется определить параметры срабатывания защит, установленных на первом и втором присоединениях.
Ток срабатывания защиты, установленной на первом присоединении (питание электродвигателя), определяется так:
IC3W1 = k3 kБР IСW1.
Принимаются следующие значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): k3 = 1,2; kБР = 2,5.
Емкостной ток первого присоединения определяется суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя:
Здесь CW1 = 0,047 мкФ — емкость кабельной линии W1, значение которой получено путем умножения удельной емкости кабеля [9] на длину линии (0,2 км); См = 0,085 мкФ — емкость обмоток статора электродвигателя (табл. П9.1).
Таблица 2.2
Если в рассматриваемой электрической сети имеются крупные электродвигатели, емкости фаз которых неизвестны, то приближенное значение составляющей емкостного тока (ТСМ), определяемой обмотками электродвигателя (при внешнем замыкании на землю), можно получить с помощью эмпирических формул [5]:
IСМ ≈ 0,017 × SНМ (при номинальном напряжении 6 кВ);
IСМ ≈ 0,03 × SНМ (при номинальном напряжении 10 кВ).
Здесь SНМ = РНМ/(cos φН × ηН) — полная номинальная мощность электродвигателя (МВА); РНМ — номинальная активная мощность электродвигателя (МВт); cos φН × ηН — номинальный коэффициент мощности и номинальный к.п.д. электродвигателя соответственно.
Первичный ток срабатывания защиты:
IСЗ W1 = 1,2 × 2,5 × 0,7 = 2,1 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW1 = (ICW − IСw1)/IСЗW1 = (27,4 — 0,7) / 2,1 = 12,7 > 1,25.
Требования по чувствительности защиты выполняются.
Ток срабатывания защиты, установленной на втором присоединении (линия магистрального типа, протяженность которой может изменяться), определяется так:
ICЗW2 kЗ kБР ICW2.
Значения коэффициентов (для реализации на реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ): kЗ = 1,2; kБР = 2,5.
Емкостной ток второго присоединения определяется суммарной емкостью отдельных участков кабельной линии:
Здесь CW2.1 = 0,17 мкФ; CW2.2 = 0,23 мкФ; CW2.3 = 0,24 мкФ — емкости отдельных участков кабельной линии W2, значения которых получены путем умножения удельной емкости кабеля на длину участка линии [9].
Тогда первичный ток срабатывания защиты:
ICЗW2 = 1,2 × 2,5 × 3,5 = 10,5 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW2 = (ICW − ICW2) / IСЗW2 = (27,4 − 3,5) / 10,5 = 2,27 > 1,25
Требования по чувствительности выполняются.
Защита от однофазных замыканий на землю, способная действовать селективно, в электрических сетях с резистивным заземлением нейтрали может быть выполнена по принципу контроля тока нулевой последовательности в присоединениях (так же как и в сетях с изолированной нейтралью).
Методика выбора параметров срабатывания защит от однофазных замыканий на землю, устанавливаемых в сетях этого типа, определяется их особенностями.
Выбор тока срабатывания защит (так же как и защит, устанавливаемых в сетях с изолированной нейтралью) производится по условию отстройки от собственного тока присоединения при внешнем замыкании (этот ток равен емкостному току присоединения, как и в сети с изолированной нейтралью):
IСЗ > IСПР; IСЗ = kЗ kБР IСПР.
Однако значения коэффициента отстройки от бросков емкостного тока могут находиться в диапазоне от 1 до 1,5, что позволяет приблизить токи срабатывания к значениям IСПР. Это обусловлено сравнительно низким уровнем броска тока при внешних однофазных замыканиях на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали [5].
При низкоомном заземлении нейтрали активная составляющая тока в месте повреждения и в месте установки защиты на поврежденном присоединении значительно больше емкостной составляющей. Емкостной составляющей тока можно пренебречь и считать, что защита реагирует на активную составляющую контролируемого тока. Тогда коэффициент чувствительности защиты можно определить так:
kЧWK = IRW/IСЗWК.
Здесь IRW = Еф /RN — активная составляющая тока в месте установки защиты на поврежденном присоединении; Еф — действующее значение фазной э.д.с. сети; RN — сопротивление заземляющего резистора; IСЗWК — ток срабатывания защиты, установленной на присоединении с номером К.
Если учесть, что ток при повреждении на контролируемом присоединении в этих сетях составляет несколько десятков ампер (определяется параметрами заземляющего резистора), то можно получить значительно более высокую чувствительность защиты от однофазных замыканий на землю, чем в сетях с изолированной нейтралью.
Пример
Пусть имеется электрическая сеть 10 кВ (рис. 2.37) с резистивным заземлением нейтрали. Основные параметры сети приведены в табл. 2.3. Требуется определить параметры срабатывания защит, установленных на первом и втором присоединениях, как и в предыдущем примере.
Ток срабатывания защиты, установленной на первом присоединении (питание электродвигателя), определяется так:
IСЗW1 = kЗ kБР IСW1.
При реализации защиты на основе реле типа РТЗ-51 и ТТ нулевой последовательности типа ТЗЛМ можно принять: kЗ = 1,2;
Емкостной ток первого присоединения, определяемый суммарной емкостью кабельной линии и обмотки статора электродвигателя (табл. 2.3): IСW1 = 0,7 А.
Таблица 2.3
Первичный ток срабатывания защиты: IСЗW1 = 1,2 × 1,25 × 0,7 = = 1,05 А.
Коэффициент чувствительности защиты, установленной на первом присоединении:
kЧW1 = IRW/IСЗW1 = 57,8 / 1,05 = 55 > 1,25
Здесь IRW = ЕФ /RN = 5,78 × 103 / 100 = 57,8 А. Требования по чувствительности выполняются.
Ток срабатывания защиты, установленной на втором присоединении:
ICЗW2 = kЗ kБР ICW2.
Здесь можно принять следующие значения коэффициентов: kЗ = 1,2; kБР = 1,25. Емкостной ток второго присоединения (табл. 2.3) IСW2 = 3,5 A.
Тогда первичный ток срабатывания защиты:
IСЗW2 = 1,2 × 1,25 × 3,5 = 5,25 А.
Коэффициент чувствительности защиты:
kЧW1 = IRW /IСЗW2 = 57,8 / 5,25 = 11 > 1,25.
Требования по чувствительности выполняются. Причем, как видно, чувствительность защит в сети с резистивным заземлением нейтрали значительно выше, чем в сети с изолированной нейтралью при аналогичных параметрах.
2.9. Микропроцессорные средства релейной защиты
Более двух десятилетий назад появились и начали применяться для защиты объектов энергосистем микропроцессорные устройства. За прошедший период времени была оптимизирована структура их аппаратной части, значительно улучшены эксплуатационные характеристики. Цифровые средства релейной защиты постепенно заменяют аналоговые. Этому процессу способствует ряд преимуществ, которыми обладают современные микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики перед устройствами, выполненными на традиционной электромеханической базе:
— выполнение самодиагностики (автоматической проверки исправности отдельных модулей и устройства в целом с индикацией состояния и блокировкой выходов устройства при его неисправности) и диагностики первичного оборудования;
— автоматическая регистрация режимов, событий и аварийных процессов, что позволяет уменьшить время на выяснение причин аварий;
— упрощение расчета уставок, увеличение их точности и точности измерений, уменьшение ступеней селективности, что снижает время действия защит и вероятность значительного повреждения оборудования;
— низкая потребляемая мощность по цепям питания и измерения (как правило, нет необходимости проверки ТТ и ТН по точности);
— возможность объединения устройств защиты и автоматики в составе автоматизированной системы управления с обеспечением дистанционного изменения уставок, удаленного контроля режима работы энергообъекта и состояния самого устройства защиты, передачи зарегистрированных аварийных процессов на рабочее место оператора (рис. 2.38);
— реализация новых функций и эксплуатационных возможностей (учет ресурса отключающей способности выключателя, хранение нескольких наборов конфигурации и уставок, восстановление формы кривой тока при насыщении ТТ и т. д.).
Немаловажным является также то обстоятельство, что обладая, как правило, незначительными габаритами, цифровое устройство реализует алгоритмы всех защит и устройств автоматики, требующихся для отдельных энергообъектов согласно действующим Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) [12]. При этом обеспечено гибкое конфигурирование терминала защиты: в действие можно ввести только те защиты и виды автоматики, которые требуются. Возможно также подключение к терминалу внешних защит, в нем не реализованных.
Микропроцессорные устройства, комплекты и шкафы защит выпускаются как зарубежными («ABB», «Siemens», «GEC Alsthom»), так и отечественными (НТЦ «Механотроника», ЗАО «Радиус-автоматика», ОАО «ВНИИР», НЦ «Бреслер», ООО «Экра» и др.) предприятиями. Номенклатура и основные параметры некоторых отечественных цифровых средств релейной защиты приведены в прил. 10.
Вне зависимости от фирмы-производителя микропроцессорные терминалы обычно обеспечивают:
— сигнализацию срабатывания защит и автоматики, индикацию положения выключателя;
— местное и дистанционное управление выключателем;
— контроль положения выключателя и исправности его цепей управления;
— местный и дистанционный ввод уставок защит и автоматики, а также их хранение и отображение;
— двухстороннюю передачу данных между устройством защиты и системой управления (и/или компьютером) по одному из стандартных каналов связи;
— отображение измеряемых (например, фазных токов) и вычисляемых (например, тока обратной последовательности) параметров защищаемого объекта;
— учет внешних дискретных сигналов управления и блокировок при работе устройства;
— контроль работоспособности самого терминала;
— гальваническую развязку входов и выходов устройства от всех внешних цепей.
Следует учитывать, что функциональные возможности терминала (точность измерений, ввод уставок с собственного пульта или через интерфейс связи с компьютером, индикация на светодиодном или жидкокристаллическом текстовом или графическом дисплее, память событий, осциллографирование аварийных процессов, набор функций защиты и автоматики) в известной степени определяются ответственностью объекта защиты и влияют на стоимость терминала. Номенклатура производимых цифровых средств защиты и автоматики включает как простые, недорогие малогабаритные устройства (например, серия «OmegaProt» фирмы «Парма Прот»), так и сложные, функционально насыщенные устройства значительной стоимости (серия «EuroProt» той же фирмы). Некоторые производители называют свои простые микропроцессорные устройства защиты цифровыми реле, позиционируя их тем самым как недорогую замену электромеханическим реле (например, унифицированная, весьма обширная серия комплектных цифровых реле ТОР-100 ИЦ «Бреслер»).