лекции

11

А			Б			В			К3	Г
	1			2				3		Д
							4

Рис. 1.2. Принципиальная схема ЭЭС, поясняющая требование надежности

Таким образом, необходимо констатировать, что должна срабатывать только защита поврежденной линии. Защиты неповрежденных линий и других элементов системы (генераторов, трансформаторов) могут при этом происходить в действие, но не срабатывать. Срабатывание защит неповрежденных элементов должна иметь место только в случае, если они предназначены действовать как резервные при отказе защиты или выключателя поврежденной линии.

Основным предпосылками, обеспечивающими как надежность срабатывания, так и надежность несрабатывания является высокое качество используемых реле, характеризуемых их принципом действия, конструкцией и технологией исполнения, высокое качество вспомогательных устройств и правильное ведение эксплуатации. Однако имеются факторы, противоположно воздействующие на две рассмотренные стороны надежности. Чем больше минимальное число реле и других элементов, которое должно участвовать в срабатывании защиты тем меньше надежность ее срабатывания.

При наличии в защите нескольких параллельно работающих независимых устройств, а иногда и отдельных реле или элементов надежность срабатывания повышается. С другой стороны понижается надежность несрабатывания.

Необходимо иметь в виду, что устройства релейной защиты при повреждениях в электрической системе в целом должны по воздействиям соответствующих, обычно электрических величин, значительно чаще не срабатывать, чем срабатывать.

Учитывая выше изложенное, максимальное упрощение схем защит следует считать одном из основных требований, предъявляемых к устройствам релейной защиты.

1.4.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Так как прикороткихзамыканиях вЭЭС обычно возрастает ток и снижается напряжение, входными сигналами измерительной части устройств релейной

12

защиты являются воздействующие величины, сформированные с использованием токов и напряжений защищаемых элементов. Характер воздействующей величины в той или иной мере определяет принцип действия защиты. По способу обеспечения селективности при внешних КЗ защиты, как указывалось выше, относят к двум группам: защиты с относительной селективностью и защиты с абсолютной селективностью. Рассмотрим принципы их выполнения.

Защиты с относительной селективностью В эту группу входят токовые, токовые направленные и дистанционные защиты. Кроме них, сюда можно отнести и защиты напряжения. Общим для всех этих защит является то, что время срабатывания защиты зависит от расстояния между местом ее включения и точкой КЗ. С увеличением расстояния увеличивается и время срабатывания. Это, а также соответствующий выбор параметров срабатывания измерительных органов обеспечивают селективное действие защиты при внешних КЗ. Для обеспечения селективности направленных защит необходимо дополнительно контролировать направление мощности короткого замыкания. Время срабатывания защиты принято называть выдержкой времени. Распространение получили защиты со ступенчатыми (рис. 1.3, а), непрерывно зависимыми (рис. 1.3, б) и комбинированными (рис. 1.3, в) характеристиками выдержек времени. Защита со ступенчатой характеристикой обычно содержит три ступени. Каждая ступеньхарактеризуется выдержкой времени и защищаемой зоной.

а б в

Рис. 1.3. Видыхарактеристик выдержкивременисрабатывания релейнойзащиты: а─ступенчатая, б─непрерывнозависимая, в─комбинированная

Токовыми называются защиты, для которых воздействующей величиной является ток, проходящий в месте их включения. Первыми токовыми защитами, и вообще первыми защитами, были плавкие предохранители. В системах электроснабжения, особенно в сетях напряжением до 1000В, они и сейчас широко применяются наряду с устройствами токовой релейной защиты, измерительными органами которой выступают измерительные реле тока. Они включаются на полныетоки фаз и на их симметричные составляющие.

На рис. 1.4 показаны в совмещенном виде характеристика выдержек времени и защищаемые зоны трехступенчатой защиты А1 линии АБ. Выдержка времени первой ступени специально не устанавливается. Она определяется быстродействием измерительных органов и других элементов устройства защиты, и обычно не превышает 0,1с. В этом случае невозможно обеспечить и защиту всей линии АБ, и исключить излишние срабатывания первой ступени при КЗ в начале смежной линии БВ, поэтому для предотвращения последнего за-

13

щищаемая зонаохватывает только часть линии. Повреждения в конце линии ЛБ ликвидируются второй ступенью защиты. Ее защищаемая зонаохватывает также шины и часть линии БВ. Исключение неселективных срабатываний второй ступени достигается выбором выдержки времени =0,5с. При этом вторая ступень резервирует работу первой ступени (ближнее резервирование), а также может осуществлять дальнее резервирование при КЗ в пределах своей защищаемой зоны. Третья ступень предназначена в основном для дальнего резервирования. Она резервирует также работу первой и второй ступеней. Ее защищаемая зона выходит за пределы смежных элементов (линия БВ), а выдержка времени t1III выбирается по так называемому ступенчатому принципу. В зависимости от места включения защиты в системе электроснабжения может достигать нескольких секунд.

Рис. 1.4. Определение временисрабатывания токовыхступенчатыхзащит

Под током срабатывания защиты понимают минимальный ток в фазах защищаемого элемента (первичный ток), при котором защита срабатывает, т. е. на ее выходе появляется воздействие на отключение выключателя. Ток, проходящий при этом в реле (измерительном органе тока), называется током срабатывания реле . В общем случае токовые защиты выпол-

няются трехступенчатыми. Первая ступень называется токовой отсечкой мгновенного действия (ТОМД), вторая — токовой отсечкой с выдержкой времени (ТОВВ), третья — максимальной токовой защитой (МТЗ). В трех-

ступенчатой защите требуют определения токи срабатывания , ,			;
выдержки времени ,	,	отдельных ступеней, а также их коэффици-
енты чувствительности	, ,	, под которыми понимают отношение ми-

нимального значения тока в реле при повреждении в защищаемой зоне той или иной ступени к току срабатывания реле соответствующей сту-

пени.

В токовых защитах со ступенчатой характеристикой выдержек времени каждая ступень имеет неизменную выдержку времени, она не зависит от тока в защищаемом элементе. Поэтому такие защиты называются защитами с независимыми характеристиками выдержек времени. В системах электроснабжения применяются также токовые защиты с комбинирован-

14

ными характеристиками, третья ступень которых имеет ограниченно зависимую характеристику. При этом довольно часто защита содержит только две ступени: первую и третью.

Токовые направленные защиты, как и токовые, обычно выполняются трехступенчатыми. Однако поведение защит при КЗ определяется не только значением тока повреждения, но и направлением мощности короткого замыкания в месте их включения. Контроль направления мощности КЗ становится необходим, если защищаемый элемент имеет двустороннее питание. В самом деле, при КЗ в точках К1 и К2 (рис. 1.5) токи короткого замыкания в месте включения токовой защиты А1 и А2 в общем случае соизмеримы, причем в первом случае должна сработать защита А7, а во втором — защита А2. Выбором выдержки времени добиться этого невозможно, поэтому селективность защиты или отдельных ее ступеней не обеспечивается. Однако нетрудно заметить, что при КЗ на защищаемой линии

Л1 (точка К1,) мощность	направлена от шин в защищаемую линию, а при
повреждении смежной линии Л2 (точка К2) мощность		у места включения

защиты Л1 измениланаправление. В первом случае защита А1 должна сработать и отключить линию Л1, а во втором

работать не должна. Для достижения этого токовая защита дополняется измерительным органом, контролирующим направление мощности короткого замыкания. Он называется органом направления мощности. При этом некоторые ступени защиты, например, первая, могут выполняться ненаправленными. Параметры, подлежащие определению, те же, что и у токовых защит. Входными воздействующими величинами защиты могут быть полные фазные токи и напряжения или их симметричные составляющие.

а б

Рис. 1.5. Схема сети с двусторонним питанием, поясняющая необходимость выполнения защиты направленной

Дистанционные защиты При КЗ в связи с увеличением тока I и уменьшением напряжения U в защищаемом элементе отношение в месте включения защиты оказывается меньше этого отношения в нормальном режиме. Оно уменьшается по мере приближения точки КЗ к источнику питания. Поэтому защиту от КЗ можно выполнить реагирующей на изменение указанного отношения, которое, согласно ГОСТ 16022—83, называется ее характеристической величиной. Такая защита называется дистанционной: при выполнении определенных условий отношение подведенных к реле напряжения и тока пропорционально расстоянию (дистанции) от места включения защиты до точки

15

КЗ. Соответствующие измерительные реле называются минимальными реле сопротивления. Параметрами защиты, подлежащими определению, являются сопротивление срабатывания защиты , ток срабатывания защиты (при наличии токового пускового органа) и выдержка времени .

Защиты напряжения Для них воздействующей величиной является напряжение цепи в месте включения защиты, поэтому в качестве измерительного органа защиты используют реле напряжения, которые срабатывают, если напряжение в месте включения защиты достигает заданного значения. В системах электроснабжения наиболее распространена минимальная защита

напряжения. Она обычно содержит две ступени. Параметрами защиты, подлежащими определению, являются напряжение срабатывания и выдержка времени .

Защиты с абсолютной селективностью основаны на сравнении однородных электрических величин (чаще всего тока) по концам защищаемого участка или в соответствующих ветвях параллельно соединенных элементов электрической установки, или же в нескольких элементах, присоединенных к общим шинам. В возможности выполнить абсолютно селективную защиту, т. е. способную срабатывать только при внутренних КЗ, можно убедиться, рассмотрев, например, линию с двусторонним питанием (рис. 1.6).

а

б

Рис. 1.6. Сеть с двусторонним питанием и векторные диаграммы токов, поясняющие действие продольной дифференциальной токовой защиты

при КЗ в зоне (а) и при повреждении вне зоны (б)

Если за условное положительное направление токов L1I и L1II; принять направление от шин в линию, то повреждение на защищаемой линии (рис. 1.6, а) отличается от внешнего КЗ (рис. 1.6, б), нормального режима и качаний прежде всего углом сдвига фаз между сравниваемыми токами. Абсолютные значения токов L1I и L1II при внутренних КЗ, в общем случае разные, в случае одностороннего питания один из токов вообще отсутствует. Таким образом, сравнивая токи L1I и L1II по абсолютному значению и фазе или только по фазе, можно выполнить защиту, способную отличить внутренние КЗ от внешних без использования выдержки времени. Сравнивать можно также знаки мощностей КЗ по концам защищаемой линии. Полная мощность КЗ всегда направлена к месту повреждения, поэтому при тех же, что и для токов, условных положительных направлениях зна-

16

ки мощностей при внутренних КЗ одинаковы, а при внешних КЗ — разные. Можно показать, что и в электроустановках с параллельно соединенными элементами можно выполнить защиту с абсолютной селективностью, сравнивая комплексы, фазы и абсолютные значения токов, а также мощности. При выполнении защит с абсолютной селективностью сравнивать электрические величины

можно или непосредственно, или косвенно. В первом случае защиты называются дифференциальными токовыми либо дифференциальными направленными, если сравниваются знаки мощностей. В свою очередь, дифференциальные токовые защиты бывают продольными и поперечными. Продольные дифференциальные токовые защиты осуществляют сравнение токов по концам защищаемого элемента, а поперечные дифференциальные токовые — в параллельных цепях электроустановки. Применяются также поперечные дифференциальные токовые направленные защиты, сравнивающие значения и знаки мощностей в параллельных цепях. При косвенном сравнении электрических величин защиты с абсолютной селективностью выполняют на основе защит с относительной селективностью, например, токовых направленных. Для этого необходимо согласовать действия защит А1 и А2, расположенных, например, по концам защищаемой линии АБ (рис. 1.7). В соответствии с принципом выполнения они срабатывают при КЗ в точке К1 на линии, когда в месте включения защит мощности КЗ направлены от шин в линию, т. е. имеют одинаковые знаки (рис. 1.7, а). При внешних повреждениях, когда в месте включения одной из защит мощность КЗ направлена к шинам, эта защита не срабатывает (рис. 1.7, б). Таким образом, поведение защит при КЗ в защищаемой зоне (линия ЛБ) отличается от их поведения при внешних повреждениях. При наличии канала связи можно обеспечить обмен информацией между защитами. Каждая из защит, например, может передавать при срабатывании разрешающий сигнал на срабатывание другой защите. При

Рис. 1.7. Размещение токовых направленных защит в сети с двусторонним питанием и направление мощности КЗ

при повреждении защищаемой линии (а) и вне ее (б)

отсутствии такого сигнала защита срабатывать не должна, хотя мощность КЗ у места ее включения имеет направление от шин в линию. По каналу связи можно

17

организовать также обмен блокирующими сигналами, препятствующими срабатыванию защит при внешних КЗ. Аналогично можно согласовывать действие ненаправленных защит.

1.5.ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕНИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА

1.5.1.Трансформаторы тока

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) представляют собой аппараты для преобразования токов первичных цепей в стандартные токи 5 или 1А для измерительных приборов, устройств релейной защиты и автоматики.

Нормально трансформаторы тока работают в режиме, близком к режиму короткого замыкания вторичной обмотки при наличии тока в первичной цепи, т.е. возникновение режима холостого хода недопустимо, так как при этом из-за возникающих перенапряжений может быть повреждена изоляция трансформатора с вытекающими отсюда последствиями.

Устройство и принцип действия Первичная обмотка ТТ включается последовательно в цепь измерительного тока и, следовательно, через нее проходит весь ток нагрузки или КЗ. Этот ток является для ТТ принужденным и проходит по его первичной обмотке независимо от состояния вторичной обмотки, т.е. от того, замкнуто она и нагрузку, закорочена или разомкнута.

ТТ состоит из двух обмоток и сердечника. Часто изготовляют ТТ из двух сердечников, первичная обмотка является у них общей для всех сердечников. Ток проходящий по первичной обмотке ТТ, называется первичным и обозначается , а ток во вторичной обмотке называется вторичным и обозначается .

Ток создает в сердечнике ТТ магнитный поток Ф1, который пересекая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней вторичный ток , который также создает в сердечнике магнитный поток Ф2, но направленный противоположно магнитному потоку Ф1. Результирующий поток в сердечнике равен разности:

Фо=Ф1─Ф2

(1.5.1)

Величина магнитного потока зависит не только от величины создающего его тока, но и от количества витков обмотки, по которой этот ток проходит. Произведение тока на число витков

называется намагничивающей силой и выражается в ампер·витках (А·в), поэтому выражение (1.5.1) можно заменить выражением:

где		,	(1.5.2)
	или	– ток намагничивания, являющийся частью первичного то-
ка, обеспечивающий результирующий магнитный поток в сердечнике,

18

, – число витков первичной и вторичной обмоток ТТ.

Таким образом коэффициентом трансформации ТТ называется отношение:

.

Поскольку при величинах первичного тока близких к номинальному, не превышает 0,5-3% номинального тока, то в этих условиях можно с не-

которым приближением считать последний равным нулю. Тогда:

(1.5.3)

Согласно действующему стандарту отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току называется номинальным коэффициентом трансформации (600/5, 1000/1 и т.п.)[2].

Все пересчеты с первичного тока на вторичный и обратно производятся по этим номинальным коэффициентам трансформации:

.

(1.5.4)

Для правильного соединения трансформаторов тока между собой и правильного подключения к ним реле напряжения мощности, ваттметров и счетчиков, выводы обмоток ТТ обозначаются (маркируются) заводами следующим образом:

•начало первичной обмоток – Л1, начало вторичной обмотки – И1;

•конец первичной – Л2, конец вторичной - И2.

При монтаже ТТ располагаются так чтобы начала первичных обмоток

Л1 были обращены к шинам, а Л2 – концы в линию ( в сторону защищаемого объекта).

При маркировке обмоток ТТ за начало вторичной обмотки (Н) принимается тот ее вывод, из которого ток выходит, если в этот момент в первич-

ной обмотке ток проходит от начала (Н) к концу (К). При этом сохраняет направление .

Схемы соединения вторичных обмоток ТТ

Питание устройств релейной защиты током сети производится по ти-

повым схемам соединений ТТ и обмоток реле.

Поведение и работа реле в каждый из этих схем зависит от характера распределения токов в ее вторичных условиях. Если в каком-либо элементе схемы (проводе или обмотке реле) вторичные токи разных фаз складываются или вычитаются, то результирующий ток находится путем геометрического

19

сложения или вычитания соответствующих векторов фазных токов с учетом их сдвигов по фазе. Для каждой схемы соединений можно определить отно-

шение тока в реле ко вторичному току в фазе . Это отношение называется коэффициентом схемы:

Коэффициент схемы учитывается при расчете уставок и оценке чувствительности защиты.

Схема соединения вторичных обмоток ТТ и обмоток реле в полную звезду(рис. 1.8). При такой схеме соединения ТТ устанавливается во всех фазах, вторичные обмотки ТТ и обмотки токовых реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым. В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток ТТ.

При нормальном режиме и трехфазном КЗ, как показано в реле I,II и

III проходят токи фаз Ia =	I A	; Ib =	IB	; Ic =	IC	, а в нулевом проводе их геомет-
	n		n		n
	Т		Т		Т

рическая сумма Iн.п=(Iа+Ib+Ic), которая при симметричных режимах равна нулю (при наличии и отсутствии заземления в точках Н и К) (рис. 1. 9).

Рис. 1.8. Схема соединения вторичных обмоток ТТ в звезду

IA	IB	IC			I
				IA	II
Н		К			Io=(IA+IB+IC)/3=0
					III
	Iа	Ib IC	Ic		IB
					IV

Рис. 1.9. Векторная диаграмма токов при нормальном режиме или трехфазном КЗ

При двухфазных КЗ ток КЗ проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к ТТ поврежденных фаз, ток в неповрежденной фазе отсутствует.

20

Рис.1.10. Векторная диаграмма токов при двухфазном КЗ

Согласно закону Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю, (Ib+Ic)=0, Ic=-Ib, Iн.п.=(Ib+Ic)=0. Поэтому реле IV (рис.1.10), включенное в нулевой провод, не будет реагировать на нагрузку и междуфазные КЗ, в чем состоит важная особенность схемы звезды. В действительности в результате неидентичности характеристик и погрешностей ТТ сумма вторичных токов в обоих случаях отличается от нуля. В нулевом проводе проходит некоторой остаточный ток, называемый током небаланса Iн.п.=Iнб=(0,01-0,2А). При КЗ в связи с увеличением токов намагничивания величина Iнб возрастает.

При однофазных КЗ первичный ток КЗ проходит только по одной поврежденной фазе. Соответствующий ему вторичный ток проходит также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу (рис. 1.11).

IА

А

IА

Io

IВ=0

В

IС=0

С Io=(IА+IВ+IС)/3=IА/3

Рис.1.11. Векторная диаграмма токов при однофазном КЗ

При двухфазных КЗ на землю ток проходит в двух реле, включенных на поврежденные фазы (В и С). В нулевом проводе проходит геометрическая сумма этих токов, всегда отличная от нуля, что следует из их векторной диаграммы (рис. 1.12).