Глава четвертая

Максимальная токовая защита

4.1. Принцип действия токовых защит

Одним из признаков возникновения КЗ является увеличение тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения РЗ, называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значения. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, служат максимальные токовые реле (см. гл. 2).

Токовые РЗ подразделяются на максимальные токовые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности.

Селективность действия максимальных токовых РЗ достигается с помощью выдержки времени. Селективность токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока срабатывания [10, 26].

4.2. Максимальная токовая защита лэп

Принцип действия и селективности защиты. Максимальные токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для сетей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждой ЛЭП со стороны источника питания (рис. 4.1, а). Каждая ЛЭП имеет самостоятельную РЗ, отключающую ЛЭП в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее ПС, и резервирующую РЗ соседней ЛЭП.

При КЗ в какой-либо тонке сети, например в точке К1 (рис. 4.1, а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположенным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все РЗ (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только РЗ 4, установленная на поврежденной ЛЭП. Для обеспечения указанной селективности МТЗ выполняются с выдержками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на рис. 4.1, б. При соблюдении этого принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты 1, 2 и 3, имеющие большие выдержки времени, вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при КЗ в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3, а МТЗ 1 и 2, имеющие большее время, не успеют подействовать.

Разновидности максимальной токовой защиты. Максимальные токовые защиты выполняются на электромеханических и статических реле прямого и косвенного действия (см. § 1.8) по трех- и двухфазным схемам (см. § 3.5). По способу питания оперативных цепей МТЗ косвенного действия делятся на РЗ с постоянным и переменным оперативным током. По характеру зависимости времени действия от тока МТЗ подразделяются на РЗ с независимой и зависимой характеристиками (рис. 4.1, в).

4.3. Схемы мтз на постоянном оперативном токе

Структурная схема. На рис. 4.2 приведена структурная схема трехфазной МТЗ с независимой от тока выдержкой времени, характеризующая общие принципы выполнения МТЗ при любой используемой элементной базе.

Измерительная часть МТЗ 1 состоит из измерительных органов ИО (в данном случае токовых реле КА мгновенного действия). В трехфазной схеме ИО предусматриваются на каждой фазе, они питаются вторичными токами соответствующих фаз ТТ, соединенных по схеме звезды.

Логическая часть 2 состоит из логического элемента (ЛЭ), выполняющего функцию ИЛИ (DW), органа времени КТ (обычно одного на три фазы), создающего выдержку времениt, сигнального реле КН.

Исполнительный орган 3, выполняемый посредством выходного промежуточного реле КL, или тиристорной схемы, срабатывая, передает команду на отключение выключателяQ. Исполнительный орган должен обладать мощным выходным сигналом, достаточным для приведения в действие электромагнита отключения (ЭО)YАТ привода выключателя.

При возникновении повреждения на защищаемой линии срабатывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток КЗ. При этом у электромеханических реле замыкаются контакты, у статических – появляется выходное напряжение (сигнал) соответствующего уровня (логическая 1 или логический 0).

Сработавшие ИО воздействуют через логический элемент ИЛИ на орган времени KТ, который по истечении заданной выдержки времени выдает сигнал, приводящий в действие исполнительный орган КL. Последний срабатывает и подает напряжение от источника оперативного тока в электромагнит отключения выключателяYАТ. После отключения повреждения ток короткого замыкания прекращается, измерительные органы и все элементы РЗ возвращаются в исходное состояние. Для успешного размыкания тока, проходящего по ЭО (YАТ), контактами промежуточного реле КLпосле отключения КЗ в цепи отключения на приводе выключателя предусматривается блокировочный вспомогательный контакт (БК)SQ. При включенном выключателеSQзамкнут (рис. 4.3, б и в) и размыкается при отключении выключателяQ, разрывая цепь тока электромагнита отключенияYАТ.

В схеме с выходным промежуточным реле размыкание цепи тока, питающего электромагнит отключения с помощью SQ, необходимо, поскольку контакты промежуточного релеKLне рассчитываются на разрыв относительно большого тока электромагнита отключенияYАТ. При тиристорной схеме отключения выключателя, для прекращения тока в цепиYАТ, также необходимо испольэовать БК, так как тиристор не может закрыться сам при исчезновении открывшего его сигнала.

Время действия рассмотренной МТЗ определяется выдержкой времени, установленной на реле времени КТ, и не зависит от значения тока КЗ, поэтому такая РЗ называется защитой с независимой выдержкой времени и имеет характеристику t=f(I_P) в виде прямой линии 1 на рис. 4.1, в.

Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном токе.Схемы на электромеханических реле. На рис. 4.3 приведена трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханических реле, которые пока еще преобладают в электрических сетях нашей страны. Построение схемы и все ее элементы соответствуют структурной схеме (см. рис. 4.2). Три измерительных органа (рис. 4.3, а) выполняются с помощью трех реле РТ-40, орган времени – с помощью реле типа РВ-100, исполнительный элемент – посредством промежуточного реле типов РП-20, РП-16 или других промежуточных реле, контакты которых рассчитаны на ток электромагнита отключения выключателя. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита действует при всех видах КЗ. В случае недостаточного значения тока приK⁽¹⁾в нулевой провод включается реле КА₀(на схеме оно не показано), чувствительность которого выше, чем у реле КА_Фв фазах, так как КА0 не надо отстраивать отI_{НАГРМАХ}

Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями (в России это сети 110 кВ и выше).

Схемы на интегральных микроэлементах. На рис. 4.4 в качестве примера приведена принципиальная схема трехфазной МТЗ (одна из возможных), построенная на ИМС. Рассматривается вариант трехфазной схемы в односистемном исполнении, при котором вместо трех ИО тока (реле тока) устанавливается один орган, реагирующий на все виды КЗ. Такое исполнение защиты уменьшает количество измерительных реле, что упрощает схему. Как уже отмечалось в § 2.14, полупроводниковый ИО тока (реле тока) имеет три узла: входной узел (ВУ), преобразующий входной сигнал; узел сравнения (УС), сравнивающий его с заданной величиной (уставкой срабатывания); узел выхода (УВ), формирующий выходной сигнал ИО достаточного уровня, воздействующий на элементы логической части защиты.

Входной узел получает сигналы в виде синусоидальных мгновенных значений токов трех фаз i_A,i_B,i_C, от измерительных ТТ защищаемого объекта. Эти токи промышленной частоты с помощью трех промежуточных ТТLTA_A,LTA_B,LTA_Cпреобразуются в токи заданного уровня и поступают соответственно на вход выпрямительных мостовVS_A,VS_B,VS_C, которые превращают переменный ток ПТТ в выпрямленный ток постоянного знака. Чтобы обеспечить действие реле тока односистемной МТЗ при всех видах КЗ, выходы трех выпрямительных мостов соединяются между собой последовательно (рис. 4.4, а), образуя общую цепь выпрямленного тока, замкнутую на выходной резисторR_ВЫХ. При таком исполнении схема входного блока работает как максиселектор. На выходном резисторе схемы (R_ВЫХ) выделяется один выходной сигнал ВУ в виде напряжения (u_Rвых=i_ВЫХМАХR_ВЫХ), соответствующий наибольшему из мгновенных токов фаз, поступающих на вход узла. Мгновенное значение выпрямленного токаi_ВЫХМАХ, протекающего поR_ВЫХ, определяется входным токомi_ВХи ему пропорционально. В качестве примера проследим, как проходит ток по выходной цепи выпрямителейVS_A,VS_B,VS_Cпри трехфазном КЗ. Допустим, что в данный момент из трех входных мгновенных токов большим является ток положительной полуволныi_A. В этом случае мост будет работать в режиме (два диода открыты положительным током, два других заперты), а четыре диода каждого моста с меньшими токамиVS_BиVS_Cпод действием большего выпрямленного тока (i_VSA) будут открыты (работают в режиме А). С учетом этого выпрямленный токi_VSA, проходя через свой выпрямитель, открывает диоды мостовVS_BиVS_C, замыкается через них, через резисторR_ВЫХи возвращается вVS_A. При этом меньшие токи замыкаются по открытым диодам своих мостов, не выходя за их пределы, а на зажимахR_ВЫХпоявляется напряжениеu_Rвых=i_VSAR_ВЫХ, которое поступает на узел сравнения. Узел сравнения ИО на рис. 4.4, а построен на времяимпульсном принципе¹. Устройство и принцип работы подобных ИО рассмотрены в гл. 2, поэтому ниже дается краткое описание работы в схеме МТЗ. В состав узла сравнения, выполняемого по указанному принципу, входят:

пороговое устройство А1, построенное на ОУ с постоянным опорным напряжением положительного знака U_ОПна Н-входе усилителя;

времясравнивающая цепочка, образованная резисторами R5-R6, конденсатором С1 и двухсторонним стабилизаторомVD8;

второе пороговое устройство А2, выполненное по схеме триггера на ОУ с положительной обратной связью (U_OC=U₈), поступающей на Н-вход по резисторуR9. Работа триггера определяется значением и знаком напряжения на инвертирующем входе, поступающем с конденсатора С1 (UC₁).

Работа схемы.В нормальном режиме, когда по защищаемому объекту проходят токи нагрузки, мгновенное значение выпрямленного напряжения (u_Rвых), поступающего с выходного узла УВ на И-вход А1, меньшеU_опА1. При этом входное напряжение А1 (u–U_ОП) имеет отрицательную полярность, поэтому на выходе А1 устанавливается напряжениеU_выхА1, положительное по знаку (противоположное знаку входного сигнала) и наибольшее по значению 12-13 В (при Е_П= ± 15 В), поскольку при отсутствии обратной связи ОУ работает в насыщенной части выходной характеристики (см. гл. 2). Под действием этого напряжения через резисторR5 происходит заряд конденсатора

С1 до наибольшего положительного напряжения + U_C1, ограниченного стабилитрономVD8. При положительном напряжении на И-входе А2 его выходное напряжение имеет отрицательное наибольшее для ОУ значение. В этом режиме орган тока не работает, так как при отрицательном напряжении диод ИЭ5 открыт и транзисторVТ1 выходного узла заперт и сигнал на пуск логической схемы (рис. 4.4, б) отсутствует (элемент времени КТ и реле КL).

При КЗ в сети защищаемого объекта мгновенное выпрямленное напряжение u_Rвыхстановится большеU_опА1на время, покаu>u _опА1, напряжение на входе ОУ (u_Rвых–U_опА1) изменяет свой знак (с "-" на "+"), А1 переключается и на его выходе появляется максимальное напряжение отрицательного знака (-U_выхА1). Под действием напряжения отрицательного знака конденсатор С1 по резисторамR5 иR6 (диодVDзакрыт) перезаряжается, напряжениеU_C1уменьшается, и после прохождения через нулевое значениеU_C1становится отрицательным и начинает увеличиваться по абсолютному значению. Через некоторое (заданное) времяt_Пнапряжение на конденсаторе будет –U_C1, а следовательно, и на И-входе А2 достигнет уровня, при котором А2 переключится и на его выходе появится максимальное положительное напряжениеU_выхA2. Под действием этого напряжения диодVD5 выходного узла запирается, тогда на базеVТ1 появляется положительный сигнал – транзистор Т1 открывается, и выходной узел ИО МТЗ передает на логическую схему команду на срабатывание. Элемент времени КТ (рис. 4.4, б) срабатывает с заданной выдержкой времени, промежуточное реле КL2 замыкает контакты и посылает импульс на отключение выключателя защищаемого объекта. После отключения КЗ входной ток, а следовательно и напряжениеu_Rвыхснижаются и становятся меньше опорного напряжения А1 – ИО тока и логические элементы МТЗ возвращаются в исходное состояние.

В качестве ИО используется реле тока типа РСТ-13 или реле типа Т0111, входящее в комплект устройств ЯРЭ-2201, предназначенных для выполнения РЗ в КРУ 6-10 кВ. Для создания выдержки времени в рассматриваемой схеме могут использоваться статическое реле времени из комплекта ЯРЭ-2201 типа ВO200 с регулировкой времени от 0,2 до 12 с или реле РВ-01 с регулировкой времени от 0,1 до 10 с. В качестве промежуточных реле применяются малогабаритные реле типа РП-13 и реле с магнитоуправляемыми контактами типа РПГ-5.

Защита с зависимой характеристикой.Наряду с независимой применяется МТЗ с зависимой и ограниченно зависимой характеристиками (кривые 2 и 3 на рис. 4.1, в). Оба вида зависимых МТЗ выполняются при помощи токовых реле, работающих не мгновенно, а с выдержкой времени, зависящей от значения тока. В схеме зависимой МТЗ на рис. 4.2, г, кроме реле времени, отсутствуют промежуточное и указательное реле, так как реле типов РТ-80 и РТ-90 имеют контакты достаточной мощности и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле. Статические ИО тока использованы в МТЗ с зависимой характеристикой в устройстве типа ЯРЭ-2201, выпускаемом ЧЭАЗ.

В отличие от РЗ с независимой характеристикой (прямая 1 на рис. 4.1, в) МТЗ с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3) действуют при токах I_P= (1–2)I_C.Зсо значительно большей выдержкой времени, чем при КЗ, что улучшает отстройку Р3 от кратковременных перегрузок (I_П).

Защиты с зависимой характеристикой позволяют также ускорить отключение при повреждении в начале ЛЭП (точка К1 на рис. 4.1, г). Однако согласование выдержек времени независимых МТЗ значительно проще (см. § 4.5).

Трехфазные схемы МТЗ, приведенные на рис. 4.3, в, г, реагируют на все виды КЗ, включая и однофазные, и поэтому их можно применять в сети с глухозаземленной нейтралью, где возможны как междуфазные, так и однофазные КЗ.

Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе.В случае, когда МТЗ должна действовать только при междуфазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или одним токовым реле.

Двухрелейная схема с независимой характеристикой (рис. 4.5, а, б). Токовые цепи МТЗ выполняются по схеме неполной звезды (см. § 3.6). Достоинством двухрелейной схемы является то, что она, реагируя на все междуфазные КЗ, экономичнее трехфазной схемы (два ТТ и реле вместо трех).

К недостаткам двухфазной схемы с двумя реле нужно отнести ее меньшую чувствительность (по сравнению с трехфазной схемой) при двухфазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток (см. рис. 3.18). При необходимости чувствительность двухфазной схемы можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. В этом проводе (см. § 3.6) протекает геометрическая сумма токов двух фаз, питающих схему, равная току третьей (отсутствующей в схеме) фазы В. С дополнительным реле двухфазная схема становится по чувствительности равноценной трехфазной. Двухфазные схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные КЗ. Двухфазные схемы применяются в качестве МТЗ от междуфазных КЗ и в сетях с глухозаземленной нейтралью. При этом для отключения однофазных КЗ устанавливается дополнительная МТЗ, реагирующая на ток НП.

Однорелейная схема (рис. 4.5, в, г). Защита состоит из тех же элементов, что и предыдущая схема, но выполняется одним токовым реле КА, которое включается на разность токов двух фазI_P=I_A–I_Cи реагирует на все случаи междуфазных КЗ.

К недостаткам, ограничивающим применение схемы, нужно отнести меньшую чувствительность по сравнению с двухрелейной схемой при КЗ между фазами АВ и ВС; недействие МТЗ при одном из трех возможных случаев двухфазного КЗ за трансформатором с соединением обмоток (см. § 3.6), когдаI_P=I_A–I_C = 0.

Однорелейная схема находит применение в распределительных сетях 6-10 кВ, питающих трансформаторы с соединением обмоток и для РЗ электродвигателей.

Двухфазная защита с зависимой характеристикой.Токовые цепи этой МТЗ выполняются так же, как и РЗ с независимой характеристикой (рис. 4.5, а, в). В качестве реле тока с зависимой характеристикой выдержки времени в отечественных схемах используются реле типов РТ-80 и РТ-90. Схемы оперативных цепей МТЗ аналогичны схемам на рис. 4.5, б, г за исключением того, что в них отсутствуют реле времени (КТ).