методичка по реле

1	KL	2
		KL
3		4
5	KL	6

7			8
9		С	10
11
			12
	VS
			14
KL1			TL
13

Рис. 43. Токовое промежуточное реле типа РП-341

2			1
4	С1	С2	3
6	R1	R2	5
8	TL1	~ М	7
			TL2
10			9
12			11
14			13
16			15

Рис. 44. Токовое реле времени типа РВМ-12 (13)

Q KA1
KT	KL	KLУАТ
KA2

KA1

KT	KT
	KA2

KT

KL	VS	KН	KL
		KL1

Рис. 45. Схема МТЗ с дешунтированием одной катушки отключения выключателя

Расчет I эо	проводят с учетом токовой погрешности ТА,	Iэо	1	kн Iвозв.р Iнам nт .
1
Для	надежного действия защиты необходимо,			чтобы Iвозв Iэо	, т.е.
Iвозв kн Iвозв.р Iнам nт .				1

Возможность применения схемы с дешунтированием по условиям работы контактов реле проверяют по условию

I 3

к max 150 А ,

nт

Iк3max рассчитывается, когда точка к.з. берется у места установки защиты.

Схемы реле времени и промежуточного реле на рис. 44 и 43 соответственно.

Токовое промежуточное реле РП-341 (рис. 43) состоит из трансформатора TL, первичные обмотки которого подключены к вторичным обмоткам ТА. Вторичная обмотка TL через сглаживающую емкость С подключена на вход выпрямительного моста VS. Трансформатор TL работает в режиме насыщения, что позволяет ограничить величину его вторичного напряжения. Реле имеет контакты 2, 4, 6, переключающиеся с дешунтированием. Срабатывание реле происходит при замыкании цепи питания обмотки KL1, подключенной на выход выпрямительного моста VS. К зажимам 11, 13 подключаются замыкающиеся контакты реле тока или времени.

Токовое реле времени РВМ-12 (13) (рис. 44) состоит из двух трансформаторов TL1 и TL2, которые работают в режиме насыщения. Их первичные обмотки подключены к трансформаторам тока. Наличие TL1 и TL2 позволяет подключать реле времени на ток фазы или

31

			1
Q	KT
		KН
СG	C	УАТ
	Q
			1
KA1
	KA1
KT	KT	KT
	KA2
KA2
		1	2

2		C	VS
I	SX1
II
III	SX2
IV		VII
V
TL

			+
3	4	9	10

Рис. 46. МТЗ с питанием оперативных	Рис. 47. Блок питания зарядный
цепей от предварительно	типа БПЗ-402
заряженного конденсатора

разность фазных токов. Первичные обмотки TL1 и TL2 могут быть включены последовательно или параллельно, что обеспечивает изменение напряжения на их вторичных обмотках. Вторичные обмотки TL1 и TL2 через сглаживающие фильтры С1 R1 и С2 R2 подают питание на обмотку микродвигателя М. Микродвигатель имеет втягивающийся ротор. В несработанном состоянии ток в обмотке микродвигателя отсутствует, данный режим работы микродвигателя допустим. Питание на обмотку микродвигателя подается при замыкании цепи 9 11 или 11 13. В этом случае ротор втягивается в воздушный зазор, что в свою очередь приводит к срабатыванию реле времени. Уставка реле времени изменяется начальным положением неподвижных контактов.

Схема МТЗ с дешунтированием катушек отключения приведена на рис. 45.

Пусковые реле КА1 и КА2 включены на токи фаз А и С. Первичные катушки реле КТ и KL - на разность токов I A и I C . В нормальном режиме ток протекает, минуя катушку отключе-

ния YAT. При возникновении к.з. сработают реле КА1 и КА2 и подадут питание на катушку реле времени КТ, которое сработает с выдержкой времени и подаст напряжение на реле KL. Контакты реле KL, выполненные как дешунтирующие, переключаются и подключают катушку YAT ко вторичным обмоткам ТА. Контакт KL1 шунтирует контакт КТ и ставит реле KL на самоподхват, что увеличивает надежность срабатывания реле KL. На рис. 46 приведена схема МТЗ с питанием оперативных цепей с предварительно заряженного конденсатора.

Отключение выключателя происходит за счет разрядного тока конденсатора С. Цепь разряда собирается после замыкания контакта реле времени КТ. Величина разрядного тока должна быть достаточной для отключения выключателя.

Схема блока питания для заряда конденсатора приведена на рис. 47. Переменное напряжение подается от вторичных обмоток трансформатора напряжения TV на зажимы 1, 2, 3, 4. Конденсатор С подключен на выход блока к клеммам 9, 10.

МТЗ с питанием оперативных цепей от блоков питания напряжения (БПН) не имеют никаких особенностей по сравнению с МТЗ на постоянном оперативном токе. Реле тока и времени аналогичны тем, которые используются для постоянного оперативного тока.

БПН представляет собой выпрямительное устройство, подключаемое к трансформаторам напряжения и имеющее на выходе постоянное напряжение 220 В или 110 В.

32

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ

Очень часто по соображениям сохранения устойчивости, снижения возможных послед-

ствий к.з. требуется отключать оборудование без выдержки времени при к.з. в любой точке

данного электрооборудования.

МТЗ и токовые отсечки отключение к.з. без выдержки времени не выполняют, что связа-

но с их принципами действия и особенностями. Одним из видов защит, позволяющих выпол-

нять отключение без выдержки времени при к.з. в любой точке защищаемого элемента явля-

ются дифференциальные защиты. Принцип действия продольных дифференциальных защит

основан на сравнении величин и фаз токов в начале и конце защищаемого элемента (рис. 48).

I1

I2

К1

К2

2

~

~

~

~

Рис. 48. Направления токов при различных к.з.

Дифференциальные защиты делятся на продольные и поперечные. В продольных диф-

защитах токи сравниваются по концам защищаемого элемента (линии, трансформатора и

др.), а в поперечных дифзащитах токи сравниваются в параллельных ветвях защищаемого

элемента (параллельных линиях, параллельных ветвях обмотки статора генератора).

На рис. 48 показано распределение токов по концам защищаемого элемента при к.з. на

линии (К2) и вне линии (К1). При к.з. в точке К1 токи I1 и I 2

равны по величине и направ-

лены в одну сторону. При к.з. в точке К2

а

ток I 2 меняет направление и

I1 I 2 .

Сравнение величин и направлений

токов производится в реле, которое под-

I

I

К1

ключается к вторичным обмоткам одина-

ковых трансформаторов тока (ТА), уста-

~

~

новленных с обеих сторон защищаемого

1

I2

элемента и соединенных между собой

проводами. Соединение выполняется та-

б

ким образом, чтобы при к.з. К1 в реле

протекала

разность

токов

I 1

и

I 2 ,

I p I1 I2 , а при к.з. K2

I p I1 I2

I

I

(см. рис. 49).

~

~

Основное распространение в про-

К2

I2

дольных

дифференциальных

защитах

1

получила схема с циркулирующими то-

Рис. 49. Принцип действия продольной дифзащиты:

ками. Существует также схема с уравно-

а - к.з. вне зоны защиты; б - к.з. в зоне защиты

вешенными ЭДС, но она не применяется,

т.к. для ее работы требуются специальные ТА, которые в нормальном режиме работают в

режиме холостого хода.

Рассмотрим подключение реле и ТА в схеме с циркулирующими токами (см. рис. 49).

В нормальном режиме и при к.з. К1 (рис. 49, а) в реле протекает ток I p I I при

I1 I 2 и условии, что nт nт

2

nт ; f i

0 ,

I p 0 , т.е. реле не работает.

1

При к.з. в зоне защиты (рис. 49, б) I p I I 0 и реле работает, отключая защища-

емый элемент с обеих сторон без выдержки времени. Продольная дифзащита - абсолютно

селективная, она действует при к.з. только на своем участке, следовательно, ее не нужно со-

гласовывать по времени с защитами соседних элементов. Зона защиты охватывает участок

сети, расположенный между ТА.

33

В реальных системах для реальных ТА f i 0 (токовая погрешность ТА) и при внеш-

них к.з. и нормальных режимах. С учетом токовой погрешности

I

I1 Iнам1

, тогда

nт

I1

Iнам

1

I2 Iнам

2

I I

2

Iнам

Iнам

2

I

p

1

1

.

nт

nт

nт

nт

При условии, что I1 I 2 , по реле протекает ток

Iнам Iнам

2

I

неб

I

p

1

,

nт

nт

называемый током небаланса.

Для того чтобы защита не работала при внешних к.з.,

I сз I неб.max . При определении

I сз учитывают следующие условия:

1) I сз k н I неб.max ,

k н 1,2 1,3 . Это первое условие,

по которому рассчитывается

I сз дифзащит. Ток I неб.max определяется по максимальному току, протекающему через за-

щиту при внешнем к.з., когда трехфазное к.з. возникает в конце линии;

2) I сз k н I ном . Это условие отстройки от броска тока намагничивания при включе-

нии (трансформаторов) и отстройки от обрыва соединительных проводов защиты.

В расчете из условий 1 и 2 выбирают наибольшее значение и его принимают за окончательное значение I сз .

От величины I неб зависит чувствительность защиты. Проанализируем основные причины существования I неб и способы его снижения.

Наличие I неб обусловлено:

1) неидентичностью ТА;

2) I неб резко возрастает в первый момент к.з., когда I кз состоит из периодической ( I пеp ) и апериодической ( I ап ) составляющих. Ток I ап быстро затухает и не отражает истинной картины к.з. Но I ап влияет на увеличение I нам ТА, что увеличивает погрешность ТА;

3) на увеличение I неб оказывает влияние остаточное намагничивание сердечников ТА. Для снижения I неб необходимо:

1)подбирать ТА с идентичными характеристиками намагничивания;

2)ТА должны иметь зону насыщения при большом значении I кз . Трансформаторы то-

ка класса D, рекомендуемые для применения в дифференциальных защитах, удовлетворяют этому требованию;

3) для выравнивания Iнам I и I намII необходимо выравнивать нагрузки вторичных обмоток ТА ZнагpI ZнагpII , а также уменьшать величину Zнагp либо ограничивать вторичную ЭДС E2 ТА путем увеличения nт ;

4) производить отстройку от I ап , возникающего в первый момент к.з. (при t 0).

Один из способов отстройки состоит в замедлении действия защиты на время, в течение которого I ап снижается практически до нуля, но это увеличивает время действия защиты.

Отстройка от I ап в настоящее время производится с помощью специальных реле с быстронасыщающимися трансформаторами, а также реле, основанных на времяимпульсном принципе (реле ДЗТ 21).

Реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) - это реле РНТ 565 и реле ДЗТ 11, которое имеет дополнительно к БНТ еще тормозные обмотки.

В БНТ отстройка от I ап осуществляется за счет выполнения сердечника БНТ из специальной стали с широкой петлей гистерезиса (рис. 50).

34

Проанализируем изменения I пеp и I ап за вре-									B ~ Ф
мя t 0,01 c .	Ток	I ап	изменяется незначительно
( I ап ), что	приводит		к небольшому изменению
Фап . Ток I пеp за то же время изменяет свое значе-							Фпеp
ние от максимального			до минимального, следова-								Iн
тельно, изменение потока Фпеp				тоже будет макси-
мально возможным. ЭДС во вторичной обмотке
определяется как e		dФ и, следовательно, зави-							Фап
	2		d t							Iпеp
сит от изменения Фпеp , поэтому ток во вторичной								Iап
обмотке БНТ,	подключенной к токовому реле, зави-
											Iн
сит, в основном, от Фпеp и,				следовательно,		от
I пеp .							Iап
Ток I ап	практически полностью тратится на
									t
насыщение стали и не трансформируется во вторич-
ную обмотку БНТ, а I пеp трансформируется полно-
стью после того, как произойдет насыщение сердеч-
ника до величины, определяемой индукцией насы-								пеp
щения. Это время составляет 0,01 0,02 c. Приме-
нение БНТ позволяет при расчете I сз учитывать не									t
полное значение I кз ,			а лишь его периодическое					Рис. 50. Принцип действия БНТ
значение. Это приводит к снижению I сз , а значит, к
увеличению kч защиты. Более упрощенно эффект отсекания апериодической составляющей
тока при помощи БНТ можно объяснить тем, что							I ап , медленно изменяясь во времени,
						напоминает собой постоянный ток. А,
		Т	Р			как		известно,	постоянный	ток	через
						трансформатор не передается.
I			I		К1			Еще один способ увеличения kч
~					~	дифзащит состоит в использовании маг-
						нитного торможения. Тормозная обмотка
			I2
		1				(Wт ) реле включается таким образом,
Рис. 51. Подключение реле с торможением и						чтобы т (момент тормозных обмоток)
поведение защиты при внешних к.з.						создавался больше p (момент рабочих
обмоток) при внешних к.з. (рис. 51). Для этого тормозная обмотка включается в плечо диф-
защиты, а рабочая - параллельно ТА.
При внешних к.з.			Iт I pаб	и отсюда т > p			за счет подбора числа витков Wт				и Wp ;
I т - ток в тормозной			обмотке,	I pаб -	ток в рабочей обмотке,				в случае внешнего к.з.
I pаб I I .
При к.з. в зоне защиты Ipаб I I ,					а I т I ,		т.е.	I pаб Iт и p > т , что приводит к
срабатыванию реле (рис. 52).
Применение торможения позволяет снизить						I сз , поскольку его можно не отстраивать от
I неб при внешних к.з.
Рассмотрим подробней конструкцию реле РНТ 565 (рис. 53).

35

wyp1 wyp2

Т					1
	Р
			КА
I		I	w2		wк.з
			wp	wуp	Rк.з
			wуp2
~		~			1
	К2
1		I2

Рис. 52. Подключение реле с торможением и	Рис. 53. Конструкция реле РНТ
поведение защиты при к.з. в зоне защиты

Реле состоит из трехстержневого магнитопровода (1), который набран из шихтованной стали и является сердечником БНТ. Первичная обмотка БНТ выполнена в виде трех обмоток: рабочей wp и двух уравнительных

и wyp2 . На wp подается разность токов с ТА дифференциальной защиты, wyp1 и служат для выравнивания токов в плечах защиты. В схемах дифференциальных защит могут быть использованы одна, две либо все три обмотки. Короткозамкнутая обмотка wк.з состоит из двух секций и вместе с регулируемым сопротивлением Rк.з предназначена для регулировки уровня поглощения I ап путем изменения степени намагничивания магнито-

провода.

Токовое реле КА (рис. 53) подключается ко вторичной обмотке w2 БНТ. Выставление уставки на реле РНТ производится путем изменения числа витков wp , wyp1 и wyp2 . Таким

образом, контроль выполнения I закона Кирхгофа осуществляется путем суммирования магнитных потоков, создаваемых токами, проходящими через обмотки wp , wyp1 и wyp2 в

БНТ. Реле тока КА, подключенное ко вторичной обмотке w2 , будет срабатывать, если в БНТ возникает суммарный магнитный поток, превышающий 100 А витков.

Сочетание БНТ и магнитного торможения

использовано в реле ДЗТ 11, конструкция кото-

КА

рого приведена на рис. 54.

w2

w2

Магнитопровод реле ДЗТ-11 аналогичен

2

магнитопроводу реле РНТ. Первичные обмотка

wp

wуp1

БНТ также wp , wyp

и

wyp , вторичная обмот- I

т

w

1

2

w

wуp

т

ка w2 состоит из двух секций, которые включе-

т

2

ны согласно, следовательно, ЭДС e2 , подведен-

ная к реле,

равна

e2

e2w

e2w . Обмотка

1

2

Рис. 54. Конструкция реле ДЗТ-11

торможения

wт также состоит из двух секций,

включенных встречно. Магнитные потоки Фт , создаваемые wт , замыкаются по крайним стержням магнитопровода. Из-за встречного включения секций wт эти потоки не оказывают влияния на ЭДС e2 . За счет Фт увеличивается или уменьшается насыщение магнитопровода: при большом значении I т возрастает Фт и увеличивается насыщение, что характерно

для внешних к.з.

По рабочим обмоткам протекает ток I p , который при внешнем к.з. имеет небольшое

значение. Из-за значительного насыщения реле сработать не может.

При к.з. в зоне защиты ток I p Iт . Он создает большой поток Фp , и реле работает. Ес-

ли защита выполняется на реле ДЗТ 11, то расчет уставок защиты заключается в выборе числа витков wp , wyp1 , wyp2 и wт . Реле РНТ 565 и ДЗТ 11 срабатывают в том случае, когда сум-

марный магнитный поток в БНТ превысит 100 А витков.

36

Поперечные дифференциальные защиты. Принцип действия поперечных дифзащит ос-

нован на сравнении величин токов в одноименных фазах двух параллельных линий или в двух

параллельных ветвях статорной обмотки генератора.

ТА установлены в одноименных фазах двух ЛЭП, при-

чем Z Л1 Z Л 2 , nт1

nт2 . Реле включено на разность токов

Q

I1 I 2 .

А

1

А

Л1

Л2

В нормальном режиме и при внешних к.з. K1 для идеаль-

I2

КА

I1 I2 0 . Данное равенство справед-

ных ТА (рис. 55) I

p

nт

nт

ливо, если Z Л1 Z Л 2

и токовая погрешность ТА

f i 0 .

I1

К2

К3

При к.з. на одной из линий (K2) (рис. 55)

ток I1 I 2 ,

I p 0 и защита подействует на отключение Q1

без выдерж-

ки времени. Поскольку в реальных условиях существует неко-

К1

торая разница в Z Л1

и Z Л 2 и f i

0 , в нормальных режимах

и при внешних к.з. протекает ток, который называют током

небаланса I неб :

Рис. 55. Принцип действия

I

I

I

,

неб

поперечной дифзащиты

неб

неб

где	I	обусловлен погрешностью ТА;	I	- обусловлен неравенством сопротивлений линий.
	неб		неб
	Первое условие определения I сз :		I сз k н I неб .
	Второе условие - I сз kн I нагp.max ,			где I нагp.max - суммарный ток нагрузки парал-

лельных линий. Это условие предотвращает срабатывание защиты при отключении ЛЭП с противоположного конца.

Третье условие Iсз kн Iнагp.max является условием недействия защиты при отключе- kв

нии одной из ЛЭП и внешнем к.з.

Схема поперечной дифзащиты для двух параллельных ЛЭП с общим выключателем для обеих ЛЭП представлена на рис. 56.

В схеме используются два токовых реле КА1 и КА2, включенные на токи фаз А и С. Контакты разъединителей QS1 и QS2 выводят дифференциальную защиту из действия, если

а		б +
	Q1	QS1 QS2	KА1	От МТЗ
				КН SX КL
	к МТЗ		KА2
QS1	QS2	KL	Q1	УАТ
	KA2	+ KН
		Сигнал
	KA1

QS3 QS4

Q2

Рис. 56. Поперечная дифференциальная защита параллельных линий в двухфазном исполнении:

а - цепи переменного тока; б - оперативные цепи

37

одна из параллельных ЛЭП отключена. Если обе ЛЭП включены, то QS1 и QS2 замкнуты,

при к.з. на одной из линий работают КА1 и КА2 и через реле KL без выдержки времени от-

ключается выключатель Q1. При отключении одной из ЛЭП дифзащита выводится из дей-

ствия (разомкнуты QS1 и QS2) и к.з. на линии отключаются с помощью МТЗ (рис. 56).

Существенным недостатком поперечной дифзащиты является мертвая зона, которая

находится у шин противоположной подстанции. Наличие мертвой зоны объясняется тем, что

при к.з. на шинах (точка K3 на рис. 55) вблизи шин подстанции 2 токи по линиям мало отли-

чаются друг от друга. Ток реле I p I1 I2 , и возможны случаи, когда

I p I сз , а это при-

водит к недействию защиты в пределах защищаемых линий.

Рассмотрим определение величины мертвой зоны дифзащиты (рис. 57).

Если рассматривать к.з. в различных точках (К1, К2) линии Л2, то токи I I и I II

будут

изменяться, но всегда сохраняется соотношение

I I

ZII

КА

,

А

Q1

III

В

I II

ZI

Л1

где ZI

Z л Z к , ZII

Z л Z к .

Q2

К1

К2 Л2

График изменения

I I

и I II приведен на

рис. 57. По реле КА протекает ток I p II III .

I к.з

II

к

Если к.з. находится вблизи шин подстанции В,

II

то I I I II

и I p 0 .

I p

Порядок расчета I сз

для реле КА приве-

III

Iс.з

ден

ранее, причем

I сз 0 . Следовательно,

к.з

существует участок (m)

линий Л1 и Л2,

где

m

I p I сз . В пределах этого участка дифферен-

Рис. 57. Определение мертвой зоны

циальная защита не работает, и он получил

поперечной дифзащиты

название «мертвая зона».

Величину «мертвой зоны» можно

определить следующим образом.

Соотношение

I I

ZII

можно выразить через длину линий , тогда на границе «мертвой зоны» (m)

I II

ZI

I I

m

,

m

I II

отсюда получаем m I I I II I II I I .

Отметим, что

I I I II

I к.з

при к.з. на границе

«мертвой зоны», а I II

I I I сз , следовательно,

mI к.з I сз , отсюда

m

I сз

.

I

к.з

Для повышения чувствительности применяется блокировка пускового реле от реле минимального напряжения. В этом случае ток I сз отстраивается только от токов небаланса при

внешних к.з. (на шинах противоположной подстанции):

I сз k н I неб ;

k н 1,5 2,0 .

Напряжение срабатывания реле минимального напряжения в схемах с блокировкой по напряжению выбирается так же, как и у МТЗ.

Поперечная дифзащита может быть установлена на двух параллельных линиях с двухсторонним питанием. Тогда поперечная дифзащита выполняется направленной (рис. 58).

38

УАТ1			Q2.1	УАТ2
Q1		Q1.1			Q2
	Q1.2	KH1 1 2	KH2	Q2.2
				+

HL

KA KW

Q3

Q4

Рис. 58. Упрощенная схема поперечной направленной дифференциальной защиты

Направленная дифзащита отключает ту из параллельных ЛЭП, на которой произошло к.з. Для этого в схеме предусмотрено реле направления мощности двухстороннего действия KW (см. рис. 58). При к.з. на линии Л1 замыкается его верхний контакт и подает сигнал на отключение Q1. Дифзащита выводится из действия при отключении одной из параллельных линий размыканием блок контактов Q1.1 или Q2.1. Включенное состояние Q1 и Q2 контролируется сигнальной лампой HL.

В случае двухстороннего питания поперечная дифзащита устанавливается с обеих сторон защищаемых линий.

Наличие «мертвых зон» поперечных дифзащит приводит к так называемому «каскадному» действию защиты. Поясним это подробнее.

«Мертвая зона» m1 защиты З1 (рис. 59) расположена вблизи шин подстанции В, а m2 - вблизи подстанции А. При возникновении к.з. К1 в «мертвой зоне» m1 не работает З1 и не

отключает Q1, защита З2 действует и отключается выключатель Q3. В этом случае весь ток I кз от двух систем С1 и С2 течет в точку К1 через защиту З1, величина его возрастает, и, ес-

ли I кз I сз1 , то защита З1 сработает и отключит Q1. Такое действие защиты называют каскадным. Время отключения к.з. в этом случае возрастает. Для сокращения зоны каскадного

	З1				З2
А	Q1			К1			Q3	В

С1 С2

~	Q2	Q4	~
	m2	m1

Рис. 59. Каскадное действие дифференциальной защиты

39

действия ( m1 m2 ) необходимо сокращать «мертвые зоны» защит, что достигается снижени-

ем I сз .

Поперечные дифференциальные защиты на ЛЭП не получили широкого распространения из-за следующих недостатков: наличие «мертвой зоны» и зоны каскадного действия, относительно невысокое значение коэффициента чувствительности, поскольку I сз рассчиты-

вается по условию отстройки от Iнагр.max . Кроме того, поперечная дифзащита может быть

установлена только на параллельных линиях одинаковой длины, имеющих одинаковое сопротивление.

Продольные дифзащиты применяются в качестве основных защит трансформаторов, генераторов, системы сборных шин. На ЛЭП их применение ограничено наличием соединительных проводов, подключаемых к вторичным обмоткам ТА. При большой длине ЛЭП соединительные провода имеют большую длину, что значительно увеличивает вторичную нагрузку ТА и их погрешности, поэтому продольные дифференциальные защиты можно устанавливать на ЛЭП, длина которых не превышает 10 км.

40