лекции

31

К2

YAT1

Q2

+С сигнал

TA1	KA1	KQT1
		KL1

АВ

К1

+ШУ

-

Рис. 1.21. Схема максимальной токовой защиты на постоянном оперативном токе

Исправность цепи отключения, включая автомат (или предохранитель), SB1, YAT1 контролируются промежуточным реле положения выключателя KQT1 отпускающемся при исчезновении в нем тока, замыкающегося по цепи отключения, этот ток ограничивается до значений много меньших тока срабатывания YAT1, сопротивлением самого реле и сопротивлением добавочного резистора. Для исключения сигнализации о нарушении при отключении выключателя размыкающий контакт KQT1 соединяется последовательно с размыкающимся контактом реле KQT1, контролирующий цепь включения выключателя, размыкающимся при его отключении и разрывающим цепь. Плюс на цепь сигнализации подается от шинок сигнализации.

Возможным видом повреждений в сетях постоянного тока может быть замыкание одного полюса на землю. При появлении второй “земли” возможно шунтирование контакта KQT1 и ложное отключение Q2. Поэтому предусматривается общая для всей сети постоянного тока защита от замыкания полюса на землю.

ГЛАВА 2. РЕЛЕЙНЫЕ ЗАЩИТЫ С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ

Как указывалось выше (гл. 1, раздел 1.3) к релейным защитам с относительной селективностью относятся:

• токовая отсечка без выдержки времени,

31

32

•токовая отсечка с выдержкой времени,

•максимальная токовая защита,

•токовая защита нулевой последовательности,

•токовая направленная направленная защита,

•дистанционная защита.

2.1. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА БЕЗ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ

Селективное действие токовой отсечки без выдержки времени (отсечка) достигается тем, что ее ток срабатывания принимается большим максимального тока короткого замыкания, проходящего через защиту при повреждении вне защищаемого элемента. Действие защиты при коротком замыкании на защищаемом участке обеспечивается благодаря тому, что ток КЗ в сети, а следовательно, и в защите увеличивается по мере приближения места короткого замыкания к источнику питания (рис.2.1.1, причем кривые изменения тока короткого замыкания имеют различную крутизну в зависимости от режима работы системы и вида КЗ (кривые 7 и 2 на рис. 2.1.1, а соответственно для максимального и минимального режимов).

Рис. 2.1.1. Выбор тока срабатывания и определение защищаемой зоны токовой отсечки без выдержки времени

Выбор тока срабатывания токовой отсечки радиальной линии (рис. 2.1.1.). Для схем с включением реле на полные токи фаз расчетным при выборе тока срабатывания защиты А1 обычно является трехфазное короткое замыкание у шин подстанции Б в точке К в максимальном режиме. При этом и ток срабатывания реле

(2.1.1)

Так как токовая отсечка без выдержки времени при внешних коротких замыканиях не срабатывает, коэффициент возврата кв при выборе тока IIсз не учитывается. При определении IIсз необходимо иметь в виду, что отсечка не имеет выдержки времени. Поэтому в выражении

32

33

(2.1.1) ток Iрентах принимается равным начальному (t = 0) действующему значению периодической составляющей тока внешнего короткого замыкания. Влияние апериодической составляющей учитывается коэффициентом отстройки кIотс. Ток срабатывания не зависит от режима работы и места повреждения. Отсечка сработает, когда ток, проходящий по защищаемой линии АБ (рис. 2.1.1, а), больше или равен току срабатывания защиты, т. е. Iк > IIс3. Это условие выполняется при коротком замыкании в пределах участка lI1 (максимальный режим) или участка lI2 (минимальный режим) защищаемой линии.

Таким образом, участки lI1И lI2 являются зонами, защищаемыми отсечкой. Они определяются точками пересечения кривых изменения тока КЗ 7 и 2 с прямой 3, изображающей ток IIс3; следовательно, отсечка защищает не всю линию, а только некоторую ее часть. Как следует из указанных графиков, защищаемая зона тем больше, чем меньше ток срабатывания и чем больше крутизна кривой изменения тока КЗ, которая определяется режимом работы и видом короткого замыкания. Поэтому в зависимости от режима работы и вида короткого замыкания защищаемая зона отсечки изменяется. Чувствительность защиты определяется длиной защищаемой зоны lI и коэффициентом чувствительности кIч. При КЗ у места установки защиты в минимальном режиме кIч>2.

Если отсечка выполняет функции дополнительной защиты, то ее кIч должен быть около 1,2 [1].

Длину защищаемых зон lI1И lI2 можно определить по следующим выражениям:

при трехфазном КЗ

(2.1.2)

придвухфазномКЗ

(2.1.3)

гдеХ1с — сопротивлениепрямойпоследовательностисистемы; Х1пг — погонное сопротивление прямой последовательности защищаемой линии. Сопротивления прямой и обратной последовательности приняты одинаковыми.

Для увеличения защищаемой зоны и повышения чувствительности защиты коэффициент отстройки кIотс выбирается возможно меньшим. Он определяется погрешностью в расчете тока КЗ, погрешностью реле и наличием апериодической составляющей тока короткого замыкания. Для защиты с электромагнитным реле типа РТ-40 при наличии выходного промежуточного реле принимается кIотс= 1,2... 1,3; при использовании отсечек индукционных

33

34

реле тока РТ-80 кIотс = 1,5...1,6, а для отсечек с реле прямого действия РТМ кIотс= 1,8...2,0.

В рассмотренном случае защищаемая зона охватывает только часть линии и токовую отсечку без выдержки времени нельзя использовать в качестве единственной или основной защиты. Однако в некоторых частных случаях, например, на радиальных линиях, питающих один трансформатор (рис.2.1.1, б), с помощью токовой отсечки можно защитить всю линию, если допустить ее срабатывание при повреждении в трансформаторе. В данном случае это является целесообразным. Ток срабатывания при этом выбирается по максимальному току короткого замыкания за трансформатором (точка К2) I(3)вн max, а коэффициент чувствительности проверяется по току Ik(2)при повреждении в точке К1 в минимальном режиме работы системы электроснабжения. При этом коэффициент чувствительности должен быть к1ч >1,5. Можно определить условие, при котором это выполняется. Для этого представим токи КЗ и ток срабатывания отсечки как:

С учетом этого

где Хс min, Хс max — сопротивление системы в максимальном и минимальном режимах; Хл — сопротивление линии; XTmin — минимальное сопротивление трансформатора.

Из этого выражения прииможно найти соот-

ношение между Хл и XTmin, при котором отсечка, отстроенная от тока I(3)к вн max защищает всю линию.

Если линия подключена к шинам системы бесконечной мощности (Хс = 0), допустимая длина линии будет максимальной, ее сопротивление

хлmax < 0,8X Tmin.

Выбор тока срабатывания токовой отсечки магистральной линии (рис. 2.1.2). Если защищаемая линия является магистральной, обеспечи-

вающей питание нескольких трансформаторов, то токовая отсечка должна быть отстроена не только от тока I(3)к вн max при КЗ в точке К1(3),

но и от наибольшего тока, проходящего через защиту при трехфазных КЗ на шинах низшего напряжения трансформаторов в точках К2(3), К3(3), К4(3). В этом случае в выражение (2.1.1) вместо I(3)к вн max вводится этот максимальный ток. Из двух полученных значений тока срабатывания принимается наибольшее. После этого необходимо проверить надежность отстройки токовой отсечки от бросков тока намагничивания всех трансформаторов, подключенных к защищаемой линии. При наличии трансформаторов на смежной линии БВ или подключенных к шинам

34

35

подстанции Б их броски токов намагничивания тоже необходимо учесть. Суммарный бросок тока намагничивания определяется как

(5.6)

Рис. 2.1.2. Защита магистральной линии с односторонним питанием токовой отсечкой без выдержки времени

где к = 4...5 для токовой отсечки с реле РТ-80, РТМ, к = 3...4 для токовой отсечки с реле РТ-40.

Если I6рнам окажется больше принятого тока срабатывания отсечки IIс3, то необходимо принять .

Выбор тока срабатывания токовой отсечки с учетом обеспечения устойчивой работы синхронных электродвигателей. При наличии в системе электроснабжения синхронных электродвигателей появляются дополнительные требования к устройствам релейной защиты системы электроснабжения. Так, все короткие замыкания в системе электроснабжения, сопровождающиеся опасными для устойчивости синхронных электродвигателей понижениями напряжения, должны отключаться быстродействующими защитами. Для линии ЛЗ, например, такой защитой обычно является токовая отсечка без выдержки времени (рис. 2.1.1, а).

Ток срабатывания для радиальной линии ЛЗ выбирают по выражению (2.1.1). Однако для предотвращения асинхронного режима синхронных электродвигателей Ml, M2 при КЗ на этой линии необходимо ток срабатывания отсечки IIс3 выбрать так, чтобы она отключала линию, если остаточное напряжение на шинах подстанции В Uост снижается до значения Uкр опасного для устойчивости работы электродвигателей. Расчетным является трехфазное короткое замыкание на линии в минимальном режиме работы системы электроснабжения. При этом остаточное напряжение U0CT снижается по мере приближения точки КЗ к

шинам и при повреждении в точке К1(3) достигает значения Uкр при токе, равном Ik(3) (рис. 2.1.1, б). Поэтому все КЗ между шинами под-

станции В и точкой К1(3) должны отключаться токовой отсечкой. Это обеспечивается, если IIс3< IkI. Из схемы замещения Ik(3)=(UC - Uкр)/(√3Xcmax). Таким образом, для предотвращения асинхронного режи-

35

36

ма синхронного электродвигателя при КЗ на линии ЛЗ ток срабатывания ее токовой отсечки должен удовлетворять условию

(2.1.4)

где kIотс = 1,1, а напряжение UKP для приближенных расчетов можно

принять равным 0,5Uдном.

При этом ток IIср может оказаться меньше тока, полученного по (2.1.4) и токовая отсечка становится неселективной, т. е. отключает линию ЛЗ и при внешних КЗ (повреждение в точках К2, К3, К4). Для исправления неселективного действия токовой отсечки на линии ЛЗ необходимо предусмотреть устройство АПВ. Действие его будет успешным, если внешние КЗ будут отключаться быстродействующими защитами поврежденных элементов (трансформаторов Т2, ТЗ и линии Л4) несколько раньше или по крайней мере одновременно с действием неселективной отсечки линии ЛЗ. В связи с этим не рекомендуется выполнять неселективную отсечку с помощью реле РТМ из-за его быстродействия. Для этой цели можно использовать реле РТ-40, а для создания некоторого замедления в схему отсечки вводится выходное промежуточное реле. Неселективная отсечка линии ЛЗ не должна срабатывать при КЗ за трансформаторами Т2 и ТЗ, а также при повторном включении линии, когда по ней проходит ток, обусловленный бросками тока намагничивания всех трансформаторов, получающих питание от этой линии. В нашем случае это трансформаторы Т2 и ТЗ.

Рис. 2.1.2. Схема электроснабжения (а) и выбор тока срабатывания токовой отсечки линии ЛЗ с учетом устойчивой работы

синхронных электродвигателей (б, в)

Выбор тока срабатывания токовой отсечки линии с двусторонним питанием. Токовые отсечки используют также на линиях с двусторонним пита-

36

37

нием. В этом случае они устанавливаются с обеих сторон защищаемой линии (защиты А1 и А2 на рис. 2.1.2, а). Кривые 1 и 2 (рис. 2.1.2, б) показывают изменение максимальных токов соответственно от источников А и Б при перемещении короткого замыкания вдоль защищаемой линии. Токи срабатывания отсечек должны быть выбраны таким образом, чтобы при внешних коротких замыканиях (точки КА и КБ) защиты недействовали.

При повреждении в точке КБ по защищаемой линии и через места установки защит от источника А проходит максимальный ток I(3)к вн max A

. При этом защиты Al, A2 обеих сторон линии не должны срабатывать,

т.е.. При повреждении в точке КА по защищаемой линии и через места установки защит от источника Б проходит максимальный ток I(3)к вн max B. При этом защиты также не должны

действовать, т. е.. Из двух значений выбирается больший ток срабатывания, что является первым условием его выбора. В данном случае (рис. 2.1.4, б)

(2.1.5)

Вэксплуатации возможны случаи качаний генераторов источника

Аотносительно генераторов источника Б и выхода их из синхронизма. При этом по линии АБ могут проходить большие уравнительные токи

Iурmах.

Рис. 2.1.3. Выбор тока срабатывания токовых отсечек без выдержки времени

на линии с двусторонним питанием

37

38

Отсечки в этом случае не должны действовать, поэтому

(2.1.6)

Уравнение (2.1.6) — это второе условие выбора тока срабатывания отсечек на линиях с двусторонним питанием. Определяющим является условие, которое дает большее значение тока срабатывания.

Максимальный уравнительный ток возникает, когда векторы эквивалентных ЭДС ЕА и ЕБ соответственно источников А а Б смещены на угол φ (рис. 2.1.3, в). При этом, принимая ЕA = ЕБ = Е, ток Iур mах определяют по выражению

При определении эквивалентных ЭДС ЕА и ЕБ и приведенных к шинам источников эквивалентных сопротивлении прямой последовательности Х1А и Х1Б систем генераторы вводятся в расчетную схему переходными значениями E'd и X'd. При расчете тока, возникающего во время несинхронного АПВ, используются сверхпереходные величины Е"d и X"d. Защищаемые зоны отсечек lI1И lI2определяются абсциссами точек пересечения кривых 7 и 2 с прямой 3, соответствующей току срабатывания отсечек. В рассматриваемом случае (рис. 2.1.3, б) защищаемые зоны перекрывают одна другую. При этоми повреждения в средней

части линии на длинеотключаются отсечками с двух сторон. При коротких замыканиях на линии вне этой зоны срабатывает только отсечка А1 или только отсечка А2. С противоположной стороны линия отключается другой защитой.

В некоторых случаях при наличии дополнительной линии связи между источниками А и Б отключение защищаемой линии только отсечкой А1 или А2 может привести к увеличению тока, проходящего по линии. При этом отсечка может отключить линию с другой стороны. Такое поочередное действие защит называется каскадным.

2.2. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА С ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ

Основной недостаток токовой отсечки без выдержки времени состоит в том, что она защищает только часть линии. Участок в конце линии за пределами зоны lI остается незащищенным. На рис. 2.1.4 показана схема сети с двумя последовательно соединенными участками АБ и БВ, для защиты которых установлены токовые отсечки без выдержки времени AI1 и АI2 с токами срабатывания IIс3A1 и IIс3A2 выбираемыми в соответствии с (2.1.1). Отсечки имеют защищаемые зоны соответственно lIА1и lIА2, которые охватывают только часть линий. Участки l’ и l" в конце линий за пределами зон lIА1и lIА2. Достаются незащищенными. В связи с этим возникает необ-

38

39

ходимость иметь вторую ступень токовой защиты. Вместе с первой ступенью она должна обеспечить защиту всей линии и шины приемной подстанции.

Выбор параметров второй ступени рассмотрим на примере защиты линии ЛВ (рис. 2.1.4). Так как вторая ступень ЛИ1 является относительно селективной, в ее действие необходимо ввести выдержку времени. Для исключения излишних срабатываний защиты при коротких замыканиях в зоне lIА2 токовой отсечки lIА2 линии БВ выдержка времени должна быть больше времени срабатывания tIА2 этой отсечки на некоторое время ∆t, называемое ступенью селективности, т. е. должно выполняться условие tIIА1= tIА2 + ∆t. Ступень селективности учитывает время отключения t0B выключателя Q2, погрешности во время действия tп1 защиты АII1 и tп2 защиты АI2, учитывается также некоторое время запаса tзап. С учетом всего этого В расчетах принимают ∆t = 0,3...0,6 с, поэтому выдержка времени tIIА1 второй ступени обычно не превышает 0,5 с. При этом для сохранения селективности в случае повреждения за пределами зоны lIА2 (участок l") отсечки АI2 линии БВ достаточно, чтобы ток срабатывания IIIcзА1 второй ступени был больше максимального тока КЗ, проходящего по линии АБ при повреждении в конце защищаемой зоны lIА2отсечки линии БВ. Этот ток, как следует из рис. 2.1.4, равен току срабатывания IIcзА2 токовой отсечки АI2 линии БВ. Поэтому селективность обеспечивается, если принять

(2.1.7)

где kIIотс =1,1 ...1,05.

При таком выборе тока срабатывания IIIcзА1 выдержки времени tIIA1 в зону действия второй ступени защиты линии АБ входит участок l' и шины приемной подстанции. Кроме того, она обеспечивает дальнее резервирование в случае отказа отсечки АI2 при коротких замыканиях на линии БВ вблизи шин подстанции Б и ближнее резервирование в случае отказа АI1 первой ступени защиты линии ЛБ. Если выдержка времени второй ступени оказывается приемлемой, то первая ступень может отсутствовать. В общем случае от шин подстанции Б отходят несколько линий и, кроме того, к шинам могут быть подключены понижающие трансформаторы. При этом вторая ступень защиты АII1 на подстанции A должна быть отстроена по времени от отсечек всех отходящих линий и от быстродействующих защит трансформаторов, а ее ток срабатывания IIIсз А1 должен быть выбран по наибольшему из токов КЗ, проходящих по линии при повреждении в конце защищаемых зон отсечек отходящих линий и при коротком замыкании на шинах низшего напряжения трансформаторов. Чувствительность второй ступени проверяется по минимальному току повреждения при металлическом КЗ в конце защищаемой линии. При этом коэффициент чувствительности должен быть кIIч> 1,3... 1,5. Токовая отсечка с выдержкой времени при соответствующем выборе

39

40

ее параметров сохраняет селективность и на линиях с двусторонним питанием.

Рис. 2.1.4. Защищаемые зоны и время действия токовой защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени

2.3.МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ВЫБОР ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ

Максимальная токовая защита может выполняться с независимой и с ограниченно зависимой характеристиками времени срабатывания. И в том, и в другом случае селективность защиты можно обеспечить, если время срабатывания t1III защиты A1 (рис.2.1.5), расположенной у источника питания, при коротком замыкании в точке К2 на смежном участке в зоне действия защиты А2 (линия БВ) больше максимальной выдержки времени t2III защиты A2 на ступень селективности ∆t =0,3...0,5 с. Если для защиты используют реле РТВ, то ступень селективности увеличивают до 1 с.

Селективность должна обеспечиваться и при КЗ в точке К4. Для этого необходимо не только иметь, но и, где — выдержка

времени защиты A3.

Выбор выдержек времени максимальных токовых защит с независимой характеристикой. Выдержки времени у максимальных токовых защит выбирают по ступенчатому принципу: начинают выбор с наиболее удаленного от источника питания элемента и, по мере приближения к источнику питания, увеличивают ее таким образом, что защита последующего участка имеет выдержку времени на ступень селективности больше, чем максимальная выдержка времени защиты предыдущего участка. На рис. 2.1.6 показано согласование независимых выдержек времени:

40