2.1.2. Максимальная токовая защита. Токовая отсечка. Токовая защита со ступенчатой характеристикой выдержки времени

В УМК «Электроэнергетика, ч. 2» изложены основные сведения о максимальной токовой защите (МТЗ) и токовой отсечке (ТО). Поэтому нет необходимости повторять этот материал. Остановимся на современном подходе к решению задачи проектирования МТЗ и ТО воздушной или кабельной линии с односторонним питанием напряжением 6-35 кВ.

В настоящее время для целей релейной защиты и автоматики применяются цифровые устройства (терминалы), выпускаемые рядом фирм в России и за рубежом. Расчеты параметров срабатывания МТЗ и ТО ведутся точно так же, как это делалось для устройств релейной защиты, выполненных на релейно-контактных элементах. Ток срабатывания МТЗ отстраивается от максимального рабочего тока защищаемого элемента, ток срабатывания ТО отстраивается от максимального тока КЗ в конце защищаемой линии. Время срабатывания МТЗ, как защиты с относительной селективностью, определяется путем согласования с защитой смежного участка. МТЗ может иметь независимую от тока характеристику выдержки времени или зависимую.

Цифровые терминалы защиты и автоматики имеют широкие возможности, являются многофункциональными и дают возможность проектировщику, в частности, выбрать зависимую характеристику выдержки времени из большого числа таковых, предлагаемых изготовителем терминала.

При выборе той или иной характеристики следует руководствоваться общеизвестными принципами: при заданной или рассчитанной ступени селективности Δt, при заданных уровнях (кратностях) токов КЗ следует выбрать такую характеристику, которая обсепечит селективность защит и минимальные выдержки времени согласуемых МТЗ.

Выбрав определенного изготовителя терминала, следует внимательно ознакомиться с инструкцией (описанием) и в соответствии с особенностями последнего провести необходимые расчеты.

В качестве примера ниже приводится краткая характеристика цифрового терминала защиты и автоматики «Сириус-2» предприятия «Радиус-Автоматика» и принципы расчета МТЗ и ТО участка сети, содержащего две линии с одним источником питания.

Микропроцессорное устройство защиты «Сириус-2» предназначен для выполнения функций релейной защиты, автоматики, управления и сигнализации присоединений напряжением 6-35 кВ.

Функции защиты, выполняемые устройством:

- трехступенчатая МТЗ от междуфазных повреждений с контролем двух или трех фазных токов;

- автоматический ввод ускорения любых ступеней МТЗ при любом включении выключателя;

- защита от обрыва фазы питающего фидера;

- защита от однофазных замыканий на землю по сумме высших гармоник;

- защита от однофазных замыканий на землю по току основной частоты;

- выдача сигнала пуска МТЗ для организации логической защиты шин.

Кроме того, устройство имеет ряд функций автоматики, дополнительных сервисных функций и встроенных устройств.

МТЗ в устройстве «Сириус-2-Л» может иметь 4 ступени:

- 1-я ступень – МТЗ-1 (токовая отсечка) с независимой времятоковой характеристикой;

- 2-я ступень – МТЗ-2 с зависимыми или независимыми времятоковыми характеристиками;

- 3-я ступень – МТЗ-3 с зависимыми или независимыми времятоковыми характеристиками;

- дополнительная ступень – МТЗ-4 обеспечивает отключение присоединения при длительном превышении током заданной уставки, что, например, требуется при «адресном отключении».

Для ступеней МТЗ-2 и МТЗ-3 возможен выбор одной из шести времятоковых характеристик:

1. Независимая характеристика. Время выдержки определяется набран-ным значением уставки по времени Т_уст.

Диапазон уставок по току:

Рис. 2.1. Нормально-инверсная характеристика Рис. 2.2. Сильно инверсная характеристика

Рис. 2.3. Чрезвычайно инверсная характеристика Рис. 2.4. Крутая характеристика

Рис. 2.5. Пологая характеристика Рис. 2.6. Участок распределительной сети (а) и кривая спада тока (б)

для 1-й ступени – 2-200 А;

для 2-й ступени – 1-200 А;

для 3-й ступени – 0,4-100 А;

для 4-й ступени – 0,4-20 А.

Диапазон уставок по времени T_уст:

для 1-й ступени – 0-10 с;

для 2-й ступени – 0,1-20 с;

для 3-й ступени – 0,2-99 с;

для 4-й ступени – 1-99 мин.

Дискретность уставок:

по току – 0,01 А;

по времени – 0,01 с;

по времени для 4-й ступени – 1 мин.

Основная погрешность срабатывания:

по току ± 5 % от уставки;

по времени для независимых характеристик:

± 3 % от уставки при выдержке более 1 с;

± 25 мс при выдержке менее 1 с;

по времени для зависимых характеристик ± 7 % от уставки.

Коэффициент возврата по току 0,950,92.

2. Пять зависимых времятоковых характеристик (рис. 2.12.5), в выражениях которых:

t – время срабатывания защиты при кратности тока ,

T_уст – уставка по времени;

I – ток защиты;

I_уст – уставка по току защиты (ток срабатывания).

В качестве примера проведем расчет согласования по времени защит смежных линий на участке радиальной распределительной сети. На рис. 2.6,а показаны линии W1, W2, W3, высоковольтные выключатели Q1, Q2, Q3. Питание слева, напряжение сети 10 кВ. Задана зависимость (рис. 2.6,б) максимального трехфазного тока КЗ от расстояния от источника до точки КЗ , заданы токи срабатывания защитI_сз1=1,68 кА, I_сз2=0,72 кА, I_сз3=0,38 кА.

Обозначим кратности токов КЗ буквой K с двумя индексами: первый индекс – номер точки КЗ, второй индекс – номер МТЗ, по отношению к которой рассчитана кратность. Номер МТЗ – это номер выключателя. Расчет кратности будем вести по токам КЗ и токам срабатывания защит

Для нашего примера

Величины K₃₃, K₃₂, K₂₂, K₂₁, K₁₁ указаны на рис. 2.6,б. Величина выдержки времени t₃ и ступень селективности Δt указаны на рис. 2.6,а.

Задача состоит в том, чтобы рассчитать T_уст3, T_уст2, T_уст1, предварительно выбрав вид времятоковой характеристики.

Прежде всего, оценим грубо крутизну времятоковых характеристик, показанных на рис. 2.1, 2.2, 2.3. Крутизну характеристики определим в диапазоне кратностей 2…6 для Т_уст=0,2 с, как отношение приращения времени срабатывания к изменению кратности тока:

для характеристик рис. 2.1 крутизна составит (2-0,8)/(6-2)=0,3;

для характеристик рис. 2.2 крутизна составит (2,8-0,5)/(6-2)=0,575;

для характеристик рис. 2.3 крутизна составит (4,8-0,4)/(6-2)=1,1.

Так как крутизна характеристики рис. 2.3 наибольшая попытаемся выбрать именно эту характеристику для нашего участка сети. Это даст наибольший выигрыш в быстродействии МТЗ.

По кривой с T_уст3=0,2 с (рис. 2.3) при кратности K₃₃=4 получим время срабатывания t₃'=0,9 c > t₃=0,8 с. МТЗ2 при КЗ в точке КЗ должна срабатывать с временем t₂=t₃'+t =0,9+0,4=1,3 c.

Для МТЗ2 принимаем эту же характеристику с T_уст2=0,2 с, т. к. это самая низкая уставка по времени.

При K₃₂ = 2 время срабатывания t₂'=4,7 c > 1,3 c. Это слишком большая выдержка времени, совершенно не приемлемая. Поэтому обращаемся к характеристике рис. 2.2. При T_уст3=0,2 с и кратности K₃₃=4 получаем t₃''=0,9 c. Эта величина может быть принята, т. к. в этом случае также t₃'' > t₃.

Для МТЗ2 также принимаем кривую по рис. 2.2 с T_уст2=0,2 с. Тогда при K₃₂=2 t₂=2,8 c. Эта выдержка времени также слишком велика.

Приходится обращаться к рис. 2.5. Принимаем кривую с T_уст3=1 с. При кратности K₃₃=3,76 выдержка времени t₃'''=1,15 c, t₃'''>t₃, t₂=t₃'''+t= =1,15+0,4=1,55 c. Для МТЗ 2 рассчитываем T_уст2 для t₂ = 1,55 с по формуле

Имея в виду, что , получимНа характеристиках рис. 2.5 меньшая уставкаT_уст = 0,5 с, поэтому придется обратиться к этой кривой.

Для МТЗ2 принимаем кривую с T_уст2=0,5 с. При K₃₂=2 получаем t₂'''=1,7 c, t₂'''> t₂. Значит кривая подходит. Отмечаем на рис. 2.6,а T_уст2 = 0,5 с.

Проведем согласование МТЗ1 с МТЗ2.

Для МТЗ2 по кривой с T_уст2 = 0,5 с при K₂₂ = 3,25 получаем t₂''''=0,8 c. Время срабатывания МТЗ1 при КЗ в точке K₂, т.е. при K₂₁ = 2,13 будет t₁=t₂''''+t =0,8+0,4=1,2 c. Этой величине соответствует кривая с T_уст1 = 0,5 с. По этой кривой при K₂₁ = 2,13 t₁=1,5 c. Согласование закончено.

Если для МТЗ2, МТЗ2, МТЗ1 принять независимые характеристики, то выдержки времени будут t₃ = 0,8 c, t₂ = 1,2 c, t₁ = 1,6 c. Отсюда видно, что защиты, имеющие характеристики рис. 2.5 имеют меньшие времена срабатывания по сравнению с независимыми характеристиками.

Это хорошо видно на рис. 2.7, где показаны три ступени защит с независимыми характеристиками: 0,8 с, 1,2 с, 1,6 с и времена срабатывания защит по кривым рис. 2.5: 1,15 с; 1,7-0,7 с, 1,5-0,7 с.

Рассмотрим расчет токовой отсечки (ТО), представляющей собой разновидность МТЗ, также построенную на максимальном токовом принципе. Селективность ТО достигается согласованием их по токам срабатывания.

Расчет ТО проведем для участка сети, показанного на рис. 1.11. Кривая спада тока КЗ (рис. 2.6,б) воспроизведена на рис. 2.8.

Рис. 2.7. Сравнение выдержек времени защит с зависимыми и

независимыми характеристиками

Рис. 2.8. Зоны действия токовых отсечек

Ток срабатывания отсечки линии W2 , гдеK_н = 1,251,3.

Ток срабатывания отсечки линии W1 .

На рис. 2.8 показаны токи срабатывания в виде горизонтальных линий. Точки пересечения кривой спада тока с линиямиI_сзо1, I_сзо2 определяют зоны действия отсечек L_з1, L_з2.

График рис. 2.8 показывает, что зоны срабатывания ТО L_з1, L_з2 малы, т. е. составляют малую долю длины каждой линии.

В заключение данной темы рассмотрим современные реле тока типа РСТ-40В и РСТ-80АВ. Это статические электронные реле тока. РСТ-40В имеют регулируемую и независимую от входного сигнала выдержку времени. Функциональная схема реле приведена на рис. 2.9,а.

а) б)

Рис. 2.9. Функциональные схемы реле

а – РСТ-40В (U1 – блок питания, U2 – электронный преобразователь, U3 – реагирующий орган, U4 – элемент выдержки времени, U5 – выходной орган);

б – РСТ-80АВ (U1 – блок питания, U2 – электронный преобразователь, U3 – орган формирования зависимой выдержки времени, U4 – элемент отсечки, U5 – выходной орган);

а) б)

Рис. 2.10. Времятоковые характеристики типа А (а) и типа В (б)

Реле Реле РСТ-80АВ – это реле тока с зависимыми характеристиками. Функциональная схема этого реле приведена на рис. 2.9,б. Принцип преобразования аналоговых сигналов позволяет получить времятоковые характеристики двух типов – А и В, показанные на рис. 2.10,а и б.

РСТ-80АВ позволяет получать характеристики зависимости времени срабатывания t_ср от кратности тока I/I_cp по следующей формуле

,

где K_{t max} – временной коэффициент;

I – входной ток; I_ср – ток срабатывания;

α – коэффициент кривизны характеристики;

β – коэффициент регулирования уставки по времени.

Числовые значения K_{t max} и α следует подбирать по видам кривых рис. 2.10,а и б, а значения β указаны справа на этих рисунках. Технические данные реле РСТ-40В и РСТ-80АВ приведены в табл. 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Тип реле	Диапазон уставок по току, А	Соединение обмоток
		последовательное		параллельное
		ток сраб., А	ном. ток, А	ток сраб., А	ном. ток, А
РСТ40(В)-02-(ХХ)	0,5-2	0,5-1	1	1-2	2
РСТ40(В)-06-(ХХ)	1,5-6	1,5-3	3	3-6	6
РСТ40(В)-10-(ХХ)	2,5-10	2,5-5	5	5-10	10
РСТ40(В)-20-(ХХ)	5-20	5-10	8	10-20	16
РСТ40(В)-60-(ХХ)	15-60	15-30	8	30-60	16
РСТ40(В)-100-(ХХ)	25-100	25-50	8	50-100	16
Тип реле	Диапазон уставок по времени, с		Дискретность изменения уставок по времени
РСТ40В-ХХ-03	0,2-0,5		0,5-1
РСТ40В-ХХ-06	1,5-6		1,5-3
РСТ40В-ХХ-12	2,5-10		2,5-5

Таблица 2.2

Тип реле	Диапазон уставок по току, А	Соединение обмоток
		последовательное			параллельное
		ток сраб., А	ток сраб. отс, А	ном. ток, А	ток сраб., А	ток сраб. отс, А	ном. ток, А
РСТ80АВ-02	0,5-2,24	0,5-1,12	1-8,75	1	1-2,24	2-17,5	2
РСТ80АВ-02	1,5-6,72	1,5-3,36	3-26,25	3	3-6,72	6-52,5	6
РСТ80АВ-02)	2,5-11,2	2,5-5,6	5-43,75	5	5-11,2	10-87,5	10
РСТ80АВ-02	5-11,2	5-10	10-87,5	10	10-22,4	20-175	16