4. Надёжность.

Требование надёжности состоит в том, что защита должна правильно и безотказно действовать в пределах установленной для неё зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых её работа не предусматривалась.

Ненадёжная защита сама становится источником аварий.

При эксплуатации возможны следующие виды отказов в функционировании устройств релейной защиты:

• отказы срабатывания при требуемом срабатывании;

• излишние срабатывания при повреждениях в защищаемой зоне с требованием несрабатывания;

• ложные срабатывания при отсутствии повреждений в защищаемой зоне.

Требование надёжности обеспечивается совершенством принципов защиты и конструкцией аппаратуры, простотой выполнения, а также уровнем эксплуатации.

Требования к релейной защите от ненормальных режимов:

Защиты от ненормальных режимов также должны обладать селективностью, достаточной чувствительностью и надёжностью. Но быстродействия у защит от ненормальных режимов, как правило, не требуется.

Ненормальные режимы часто носят кратковременный характер и самоликвидируются.

3. Повреждения и ненормальные режимы в электроустановках.

Большинство повреждений в электроустановках приводит к коротким замыканиям (к.з.) фаз между собой или на землю. В обмотках электрических машин (генераторов, трансформаторов и электродвигателей), кроме того, бывают замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания).

Основными причинами повреждений являются:

• нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные её старением, неудовлетворительным состоянием, перенапряжениями, механическими повреждениями;

• ошибки персонала при операциях с электрооборудованием (отключение разъединителя под нагрузкой, включение разъединителя на ошибочно оставленное заземление, включение заземляющих ножей под напряжение и т.п.).

Короткие замыкания (к.з.) являются наиболее опасными и тяжелыми видами повреждений.

При коротком замыкании э.д.с Е источника питания (генератора) замыкается «накоротко» через относительно малое сопротивление генератора, трансформатора и линий. В контуре замкнутой накоротко э.д.с. возникает большой ток I_к, называемый током к.з.

Наибольшее снижение напряжения происходит в месте к.з.

Увеличение тока и снижение напряжения, происходящие в результате к.з., приводят к ряду опасных последствий:

Термическое действие тока к.з.

Понижение напряжения при к.з. нарушает работу потребителей.

Нарушение устойчивости параллельной работы генераторов является наиболее тяжелым последствием снижения напряжения при к.з. Это может привести к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения всех её потребителей. Причины такого распада можно пояснить на примере схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Влияние понижения напряжения при к.з. на работу потребителей (а) и

энергосистемы (б).

В зависимости от числа замкнувшихся фаз к.з. подразделяются на трёхфазные, двухфазные и однофазны; замыкания с землёй и без земли; замыкания в одной и двух точках сети (таблица 1-1).

Трёхфазное к.з.

Трёхфазное к.з.(К⁽³⁾) является симметричным режимом, при котором токи и напряжения во всех фазах равны по величине как в месте к.з., так и в другой точке сети:

; ;

В точках, удалённых от места к.з. на небольшое расстояние фазные и междуфазные напряжения незначительны по величине, поэтому 3-х фазное к.з. представляет наибольшую опасность и является расчётным режимом при определении максимального тока к.з.

Двухфазное к.з.

При двухфазном к.з. (К⁽²⁾) токи и напряжения разных фаз не одинаковы.

В повреждённых фазах в месте двухфазного к.з. проходят одинаковые по величине, но противоположные по направлению токи, а в повреждённой фазе ток к.з. отсутствует.

С точки зрения влияния на устойчивость параллельной работы генераторов и на работу электродвигателей 2-х фазное к.з. представляет меньшую опасность, чем 3-х фазное к.з.

Однофазное к.з.

Однофазное к.з. может возникнуть только в сетях с заземлённой нейтралью (сети 110 кВ и выше).

В месте 1-фазного к.з. фазы С фазное напряжение повреждённой фазы и фазные токи к.з. неповреждённых фаз будут равным нулю:

; ;

В некоторых случаях ток однофазного к.з. может быть больше тока трёхфазного к.з., однако этот режим представляет меньшую опасность для нормальной работы энергосистемы, чем 3-х и 2-х фазные к.з., так как в месте повреждения снижается до нуля только фазное напряжение поврежденной фазы.

Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью

Ненормальными режимами, связанными с отклонением от допустимых значений тока, напряжения и частоты и представляющими опасность для электроснабжения потребителей электроэнергии и энергосистемы в целом, являются: перегрузка оборудования, повышение напряжения, качания в системе.

Перегрузка оборудования – это превышение тока по оборудованию сверх номинального значения.

Если ток превышает номинальное значение, то за счёт выделяемого им дополнительного тепла через некоторое время температура токоведущих частей и изоляции превысит допустимую величину, что приведёт к ускоренному износу изоляции и её повреждению.

Характер зависимости допустимой длительности перегрузки от величины тока: t = (I) показан на рисунке 4 и определяется конструкцией оборудования и типом используемых в оборудовании изоляционных материалов.

Рисунок 4 – Зависимость допустимой длительности перегрузки от величины тока.

Для предупреждения повреждения оборудования при перегрузках необходимо принимать меры по разгрузке или отключению оборудования.

Повышение напряжения – это превышение напряжения на оборудовании сверх допустимого значения.

Обычно повышение напряжения возникает на гидрогенераторах при внезапном отключении его нагрузки из-за увеличения частоты вращения и возрастания вследствие этого э.д.с. статора до значений, опасных для его изоляции.

Опасное для изоляции повышение напряжения может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных линий электропередачи с большой ёмкостной проводимостью.

При повышениях напряжения необходимо его снижать вручную или отключать оборудование от сети.

Качания в системах – периодическое изменение ("качание") тока, напряжения, активной и реактивной мощности.

Качания возникают при выходе из синхронизма работающих параллельно генераторов и сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения защиты реагируют также, как и на симметричное к.з.

Кроме перечисленных ненормальных режимов, имеются и другие, ликвидация которых возможна при помощи релейной защиты и системной автоматики.

4. Структурная схема и основные органы релейной защиты.

Релейная защита для выполнения функций, соответствующих её назначению, состоит, как правило, из измерительных (пусковых) органов и логической части.

Измерительные (пусковые) органы непосредственно и непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого оборудования и реагируют на возникновение к.з. или нарушения нормального режима работы.

Логическая часть представляет собой схему, которая запускается измерительными (пусковыми) органами и формирует команды на отключение выключателей мгновенно или с выдержкой времени, запускает другие устройства, подаёт сигналы и производит прочие предусмотренные алгоритмом защиты действия.

Любую схему релейной защиты можно представить в виде функциональной схемы, приведенной на рисунке 7.

Рисунок 7 – Структурная схема релейной защиты.

Информация о состоянии защищаемого объекта (обычно в качестве контролируемых параметров выступает ток и напряжение) поступает на вход измерительного органа ИО от измерительных преобразователей ИП, в качестве которых обычно применяются трансформаторы тока и напряжения.

Измерительные органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого объекта (ИО включают в себя реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты).

Логический орган защиты ЛО (логическая часть) обрабатывает сведения, поступившие от измерительного органа и формирует управляющее воздействие через исполнительные элементы ИЭ на коммутационную аппаратуру (выключатели В), звуковую и световую сигнализацию. (Логическая часть состоит в основном из реле времени и промежуточных реле).

Сигнальный орган СО фиксирует срабатывание защиты в целом или её отдельных элементов. (Сигнальный орган обычно выполняется с помощью указательных реле).

5. Классификация реле.

Основным элементом всякой схемы релейной защиты является реле. Под термином реле принято понимать автоматически действующий аппарат, предназначенный производить скачкообразное изменение состояния управляемой цепи при заданных значениях величины, характеризующей определенное отклонение режима контролируемого объекта.

В устройствах релейной защиты применяются реле электрические, механические и тепловые.

Электрические реле реагируют на электрические величины – ток, напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механическое реле реагируют на неэлектрические величины – давление, скорость истечения жидкости или газа, скорость вращения и т.д.

Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.

Наибольшее распространение в релейной защите и автоматике получили электрические реле.

Классификация электрических реле.

Все реле имеют: воспринимающий (измерительный) орган, который непосредственно воспринимает изменение электрических величин, подведённых к реле, и производит соответствующие им изменения в других органах реле; исполнительный орган, который, воздействует на внешние цепи, производит отключение выключателей, подачу предупредительных сигналов или запуск других реле. Частным случаем исполнительного органа являются контакты реле.

Некоторые реле имеют орган замедления или выдержки времени.

В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: токовые, напряжения, мощности, сопротивления, частоты и т.д.

По характеру изменения воздействующей величины реле делятся на реле максимальные и реле минимальные. Максимальные реле работают, когда значение воздействующей величины превосходят заданную, а минимальные – когда значение воздействующей величины снижается ниже заданной.

Все реле по назначению условно можно разделить на три группы:

Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение контролируемых величин, например, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д. (реле тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления).

Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие функции введения выдержек времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели и т.п. (реле времени, промежуточные реле).

Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и управляющие звуковыми и световыми сигналами (указательные реле).

По способу включения воспринимающего органа различаются реле первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и реле вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока или напряжения. На рисунке 8 изображены оба способа включения реле.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём прямого механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

Рисунок 9 – Вторичные реле

а) прямого действия; б) косвенного действия.

По принципу действия электрические реле разделяются на следующие группы:

Электромагнитные реле, работа которых основана на воздействии магнитного потока обтекаемой током обмотки на ферромагнитный якорь;

Поляризованные реле – электромагнитное реле со вспомогательным поляризующим магнитным полем;

Магнитоэлектрические реле, работа которых основана на взаимодействии постоянного магнита и обтекаемой током обмотки;

Индукционные реле, работа которых основана на взаимодействии магнитных полей неподвижных обмоток с магнитными полями токов, индуктируемых в подвижном элементе;

Полупроводниковые реле, работа которых основана на использовании свойств полупроводниковых приборов.

6. Классификация защит.

По видам контролируемого параметра защиты подразделяются на:

• токовые

• напряжения

• дистанции (сопротивления линии)

• частоты

• мощности и др.

По принципу действия бывают:

• основные защиты (Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов к.з. в пределах всего защищаемого объекта со временем, срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.)

• резервные защиты (Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного объекта при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.)

По способам обеспечения селективности подразделяются на:

• защиты с относительной селективностью

Относительную селективность имеют защиты, на которые по принципу действия можно возложить функции резервных защит при к.з. на смежных элементах сети. С учётом этого такие защиты в общем случае должны выполняться с выдержками времени.

• защиты с абсолютной селективностью

Абсолютную селективность имеют защиты, селективность которых при внешних к.з. обеспечивается их принципом действия, т.е. защита способна работать только при к.з. на защищаемом объекте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются без выдержек времени.

Защиты с относительной селективностью могут работать как при коротких замыканиях на защищаемом объекте, так и при повреждениях на смежных присоединениях в режиме резервирования. К таким защитам относятся токовые защиты, защиты напряжения, дистанционные защиты.

Защиты с абсолютной селективностью работают только при коротком замыкании на защищаемом участке. К таким защитам относятся дифференциальные и дифференциально-фазные защиты.

7. Трансформаторы тока (Назначение. Принцип действия. Погрешности трансформатора тока. Схемы соединения трансформатора тока).

Трансформатором тока называется трансформатор, в котором при правильных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю.

Устройство и принцип действия трансформатора тока

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь измеряемого тока и, следовательно, через неё проходит весь первичный ток нагрузки или к.з.

Первичный ток I₁, проходящий по первичной обмотке трансформатора тока создаёт в сердечнике магнитный лоток Ф₁, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней вторичный ток I₂, который также создаёт магнитный поток Ф₂, но направленный противоположно магнитному потоку Ф₁. Результирующий магнитный поток в сердечнике ТТ равен: Ф₀ = Ф₁-Ф₂;

Величина магнитного потока зависит от величины создаваемого его тока и от количества витков обмотки, по которой этот ток протекает. Произведение тока на число витков F=IW называется намагничивающей силой и выражается в ампер-витках. Поэтому выражение для Ф₀ можно заменить выражением: F₀ = F₁ - F₂ или I₀W₁ = I₁W₁ - I₂W₂, где

I₀ – ток намагничивания, являющийся частью первичного тока (I_нам);

Разделив все члены последнего выражения на W₂, получим:

или , где

- витковый коэффициент трансформации трансформатора тока.

Соотношение первичного и вторичного токов имеет вид:;

При I_нам=0 трансформатор тока работает «идеально», его вторичный ток пропорционален первичному и совпадает с ним по фазе: ;

Погрешности трансформатора тока

Различают следующие виды погрешностей трансформаторов тока:

1. Токовая погрешность (погрешность в коэффициенте трансформации) (I):

2. Угловая погрешность, определяемая как угол 

Причиной возникновения погрешностей у трансформаторов тока является существование тока намагничивания. Чем меньше ток намагничивания, тем меньше погрешности ТТ.

При номинальном значении первичного тока ток намагничивания ТТ обычно не превышает 0,5 – 3% номинального тока.

Величина тока намагничивания зависит от э.д.с. Е₂ и

сопротивления ветви намагничивания Z_нам, т.е.:

Э.д.с. Е₂ можно определить как падение напряжения от тока I₂ в сопротивлении вторичной обмотки Z₂ и сопротивлении нагрузки Z_Н, т.е. Е₂ = I₂ (Z₂+ Z_Н)

Так как величина вторичного тока I₂ зависит от величины первичного тока I₁, то э.д.с. Е₂, а следовательно, и ток намагничивания I_нам возрастают при увеличении тока I₁ или при увеличении сопротивления нагрузки Z_Н, подключённой ко вторичной обмотке.

Сопротивление ветви намагничивания Z_нам зависит от конструкции ТТ и качества стали сердечника. Это сопротивление не является постоянной величиной и зависит от характеристики намагничивания стали, представляющей собой зависимость тока намагничивания I_нам от величины магнитного потока Ф_Т в сердечнике трансформатора тока

Сопротивление Z_нам обратно пропорционально магнитному сопротивлению R_м сердечника трансформатора тока, определяемому конструктивными параметрами трансформатора тока:

Для уменьшения погрешностей трансформатор тока должен работать в прямолинейной части своей характеристики намагничивания (где ток намагничивания пропорционален потоку в сердечнике трансформатора). Это условие обеспечивается: конструктивными параметрами сердечника; правильным выбором нагрузки вторичной обмотки; снижением величины вторичного тока, что достигается выбором соответствующего коэффициента трансформации.

Схемы соединений трансформаторов тока

Подключение пусковых реле тока к трансформаторам тока в схемах токовых защит может осуществляться по различным схемам:

• соединение ТТ и обмоток реле в полную звезду;

• соединение ТТ и обмоток реле в неполную звезду;

• соединение ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду;

• соединение двух ТТ и одного реле в схему на разность токов 2-х фаз;

• соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности.

Для каждой схемы определяется отношение тока в реле I_р к току в фазе I_ф, которое называется коэффициентом схемы:

Коэффициент схемы необходимо учитывать при расчёте уставок и оценке чувствительности токовой защиты.

8. МТЗ (Назначение. Принцип действия. Выбор параметров срабатывания).

В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, используются максимальные токовые реле.

Максимальные токовые защиты являются основным видом защит для радиальных сетей с односторонним питанием и устанавливаются в начале каждой линии со стороны источника питания. При таком расположении защит каждая линия имеет самостоятельную защиту, отключающую линию в случае повреждения на ней или на шинах питающиеся от неё подстанции. Селективность МТЗ обеспечивается соответствующим выбором тока и времени срабатывания. Защита наиболее удалённая от источника питания имеет наименьший ток срабатывания и наименьшую выдержку времени. Защита каждой последующей линии имеет большую выдержку времени чем выдержка времени предыдущей защиты.

При к.з. в какой-либо точке сети, например, в точке К1 (рис. 3-6), ток к.з. проходит по всем участкам сети между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие (запускаются) защиты 2 и 3. Однако, по условию обеспечения селективности на отключение, должна подействовать только защита 2, установленная на поврежденной линии.

Рис. 3-6 Время срабатывания МТЗ с независимыми (а) и (б) с зависимыми характеристиками выдержек времени в радиальной сети.

Основными параметрами срабатывания МТЗ являются: ток срабатывания (I_с.з.) и время срабатывания (t_с.з.) защиты.

Время срабатывания (выдержка времени) МТЗ в общем случае выбирается на ступень селективности (t) больше наибольшей выдержки времени предыдущей защиты (рис. 3-6, а):

t

(3-6)

_с.з.2 = t_с.з.1 + t

t_с.з.3 = t_с.з.2 + t

Обычно в расчетах ступень селективности принимается равной 0,5с.

МТЗ в зависимости от типа используемых реле может иметь независимую от величины тока (следовательно, независимую от места к.з.) характеристику выдержки времени (рис. 3-6, а) или зависимую от тока характеристику выдержки времени (рис. 3-6, б). Наличие зависимой от тока выдержки времени принципиально позволяет ускорить отключение больших токов к.з.

МТЗ с независимой выдержкой времени реализуются на реле тока типа РТ‑40 и реле времени, а с зависимой выдержкой времени – на комбинированных реле тока и времени РТ‑80.

9. Токовая отсечка мгновенного действия (Назначение. Принцип действия. Выбор параметров срабатывания).

Отсечка является разновидностью токовой защиты, позволяющей обеспечить быстрое отключение к. з. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и отсечки с выдержкой времени.

С мгновенным действием – они полностью определяются собственным временем срабатывания. У них главным элементом будет являться установленное реле (токовое). Для вспомогательных элементов также используются релейные устройства, которые занимаются тем, что подают сигнал на разрыв.

Селективность действия токовых отсечек достигается огра­ничением их зоны работы так, чтобы отсечка не действовала при к. з. на смежных участках сети, защита которых имеет выдержку времени, равную или больше, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки дол-

жен быть больше максимального тока к. з., проходящего через защиту при повреждении в

конце участка, за пределами которого отсечка не должна работать (точка М участка АМ на

рис. 5-1). Такой способ ограничения зоны действия основан на том, что ток к. з. Iк зависит от

величины сопротивления до места повреждения (рис. 5-1).

Токовая отсечка является быстродействующей токовой защитой, селективность действия которой обеспечивается соответствующим выбором тока ее срабатывания.

Токовая отсечка не должна срабатывать при к.з. на смежном участке сети, поэтому её ток срабатывания отстраивается от максимального тока внешнего для данной линии к.з. (т.е. от максимального тока к.з. в конце защищаемой линии):

Кривая Iк=f(L) показывает изменения тока 3‑х фазного к.з. в зависимости от расстояния до точки к.з. Кривая построена на основании выражения:

Зона действия отсечки охватывает только часть линии и меняется в зависимости от режима работы системы (зона А – при максимальном, зона Б – при минимальных режимах системы).

Зона действия отсечки определяется графически.

Зону ТО можно также определить по формуле:

Токовая отсечка является быстродействующей защитой и время её срабатывания t_с.з. определяется небольшой задержкой вызванной срабатыванием токовых и промежуточных реле, а также исполнительного органа защиты и составляет обычно не более 0,1 с.

Для линий с 2‑х сторонним питанием токи срабатывания отсечек по концам линии выбираются одинаковыми и равными.

Существует зона при к.з. в которой будут срабатывать обе токовые отсечки по концам защищаемой линии. При к.з. вне этой зоны будет срабатывать только одна из отсечек.

Время действия мгновенной отсечки складывается из времени срабатывания токовых и промежуточного реле.

Достоинством ТО является быстрое отключение к.з., возникающих вблизи источника питания, т.е. повреждений сопровождающихся большими токами к.з.

Недостатком токовой отсечки является то, что она защищает только часть линии и не может быть использована в качестве основной защиты.

10. Токовая отсечка с выдержкой времени (Назначение. Принцип действия. Выбор параметров срабатывания).

Отсечка является разновидностью токовой защиты, позволяющей обеспечить быстрое отключение к. з. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и отсечки с выдержкой времени.

С временной задержкой. В них входит устройство, которое позволяет задавать параметры времени. У таких отсечек временное срабатывание может составлять диапазон от 0,2 до 0,6 секунд.

Селективность действия токовых отсечек достигается огра­ничением их зоны работы так, чтобы отсечка не действовала при к. з. на смежных участках сети, защита которых имеет выдержку времени, равную или больше, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки должен быть больше максимального тока к. з., проходящего через защиту при повреждении в конце участка, за пределами которого отсечка не должна работать (точка М участка АМ на рис. 5-1). Такой способ ограничения зоны действия основан на том, что ток к. з. Iк зависит от

величины сопротивления до места повреждения (рис. 5-1).

Токовая отсечка является быстродействующей токовой защитой, селективность действия которой обеспечивается соответствующим выбором тока ее срабатывания.

Токовая отсечка не должна срабатывать при к.з. на смежном участке сети, поэтому её ток срабатывания отстраивается от максимального тока внешнего для данной линии к.з. (т.е. от максимального тока к.з. в конце защищаемой линии):

Кривая Iк=f(L) показывает изменения тока 3‑х фазного к.з. в зависимости от расстояния до точки к.з. Кривая построена на основании выражения:

Зона действия отсечки охватывает только часть линии и меняется в зависимости от режима работы системы (зона А – при максимальном, зона Б – при минимальных режимах системы).

Зона действия отсечки определяется графически.

Зону ТО можно также определить по формуле:

Токовая отсечка является быстродействующей защитой и время её срабатывания t_с.з. определяется небольшой задержкой вызванной срабатыванием токовых и промежуточных реле, а также исполнительного органа защиты и составляет обычно не более 0,1 с.

Для линий с 2‑х сторонним питанием токи срабатывания отсечек по концам линии выбираются одинаковыми и равными.

Существует зона при к.з. в которой будут срабатывать обе токовые отсечки по концам защищаемой линии. При к.з. вне этой зоны будет срабатывать только одна из отсечек.

Время действия мгновенной отсечки складывается из времени срабатывания токовых и промежуточного реле.

Достоинством ТО является быстрое отключение к.з., возникающих вблизи источника питания, т.е. повреждений сопровождающихся большими токами к.з.

Недостатком токовой отсечки является то, что она защищает только часть линии и не может быть использована в качестве основной защиты.

11. Ступенчатые токовые направленные защиты (Принцип действия, состав, назначение отдельных ступеней).

Сочетанием ТО и МТЗ можно обеспечить надёжную защиту линии на всём её протяжении. Такая защита называется токовой защитой со ступенчатой характеристикой выдержки времени.

Токовая защита со ступенчатой выдержкой времени срабатывания может выполняться 2-х или 3-х ступенчатой. В 2-х ступенчатой защите в качестве первой ступени используется ТО, а в качестве второй – МТЗ. В 3-х ступенчатой защите первая ступень представляет собой мгновенную ТО, вторая ступень – ТО с выдержкой времени, а третья – МТЗ.

Первая ступень защиты обеспечивает отключение к.з. сопровождающихся большими токами к.з. в начале линии. Вторая ступень предназначена для отключения поврежденной линии при возникновении к.з. вне зоны первой ступени, а третья ступень выполняет функции дальнего резервирования.

На рис. 3-14 изображена радиальная сеть с односторонним питание защиты которой осуществляются 3-х ступенчатыми токовыми защитами (участки А-Б и Б-В).

Рис.3-14. Выбор тока и времени срабатывания 3-х ступенчатых токовых защит.

Токи срабатывания первых ступеней защиты (мгновенных ТО) отстраиваются от токов максимального к.з. на шинах противоположных подстанций:

макс

макс

Их время срабатывания определяется временем действия исполнительного органа защиты – промежуточных реле:

Токи и времена срабатывания вторых ступеней защит (ТО с выдержкой времени) отстраиваются от токов и времени срабатывания первых ступеней защит предыдущего участка сети:

Параметры срабатывания третьих ступеней защит (МТЗ) определяется как у обычной максимальной токовой защиты.

Чувствительность вторых ступеней защит определяется минимальным током к.з. в конце защищаемой линии и считается приемлемой, если

К_ч1,31,5.

Очевидно, что при к.з. на линии будет действовать первая (при к.з. в начале линии) или вторая (при к.з. в конце линии) ступень защиты, а третья ступень будет выполнять функции резервной защиты при повреждениях на соседних (следующих) участках сети.

12. Дистанционная защита (Назначение. Принцип действия. Характеристик срабатывания дистанционных органов).

Дистанционная защита – защита с необходимым быстродействием, обеспечивающая селективность и чувствительность в электрических сетях любой конфигурации.

Дистанционной защитой называется защита, выдержка времени которой автоматически изменяется в зависимости от удалённости (от расстояния или дистанции) места к.з. от места установки защиты.

Например, при к.з. в точке К1 (рис. 5-2) защита 2, расположенная ближе к месту повреждения должна работать с меньшей выдержкой времени, чем более удалённая защита 1. Если же к.з. возникнет в точке К2, то выдержка времени защиты 2 автоматически должна увеличится т.к. расстояние (дистанция) от защиты 2 до места к.з. К2 больше чем при к.з. К1. В последнем случае к.з. будет селективно отключено защитой 3, расположенной ближе к месту повреждения и, следовательно, имеющей меньшую выдержку времени.

Рис.5-2. Зависимость выдержки времени дистанционной защиты от расстояния до места к.з.

Следовательно, отношение остаточного напряжения на шинах к току к.з., проходящему по защищаемой линии пропорционально расстоянию (дистанции) L_к.з. от места установки защиты до места к.з.

Выводы:

Для защиты сетей напряжением 110 кВ и выше со сложной конфигурацией и с несколькими источниками питания применяются дистанционные защиты (ДЗ) выдержка времени которых автоматически изменяется в зависимости от расстояния (дистанции) места к.з. до места установки защиты.

Основным органом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удалённость (дистанционно) к.з. от места установки защиты.

В качестве дистанционного органа используются реле сопротивления, измеряющие сопротивление линии до места к.з. и определяющее на каком участке произошло повреждение и совместно с другими органами защиты, обеспечивающее её действие с необходимой выдержкой времени.

Характеристики реле сопротивления

1. Реле с круговой характеристикой с центром в начале координат.

Зона, ограниченная окружностью, является зоной действия реле.

Сопротивление срабатывания таких реле не зависит от _Р, поэтому их называют реле полного сопротивления.

2. Реле с круговой характеристикой, проходящей через начало координат.

Реле с такой характеристикой не работают при направлении тока из линии к шинам, поэтому оно является направленным. Точка 0 соответствует началу защищаемой линии. При коротком замыкании в начале линии, когда R и Х равны нулю, реле не работает, что является его недостатком. Угол , при котором сопротивление срабатывания реле максимально, называется углом максимальной чувствительности.

3. Реле с эллиптической характеристикой.

Такие характеристики использовались для третьих ступеней защит с целью улучшения отстройки от рабочих режимов и получения большей чувствительности.

4. Реле с многоугольными характеристиками.

Четырехугольная характеристика (а) используется для выполнения второй и третьей ступней защит. Её верхняя сторона должна фиксировать концы защищаемых зон, правая боковая сторона обеспечивает отстройку от рабочих режимов. Левая сторона отстраивает защиту от мощностей нагрузок, передаваемых к месту ее включения. Нижняя сторона обеспечивает работу защиты при близких повреждениях, сопровождающихся замыканием через переходное сопротивление.

Треугольная характеристика (б) применяется для реле сопротивления третьей ступени, обеспечивает необходимую отстройку от нагрузочных режимов с соблюдением требуемой чувствительности.

Зависимость выдержки времени дистанционной защиты от сопротивления (расстояния) до места к.з. называется характеристикой времени срабатывания защиты.

Существует три вида характеристик времени срабатывания дистанционных защит : наклонная, комбинированная и ступенчатая (рис.5‑7).

Наибольшее применение нашли дистанционные защиты со ступенчатыми временными характеристиками.

13. Защиты от замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания на землю (Принцип действия, состав, назначение отдельных ступеней)

Для защиты линий от к. з. на землю (однофазных и двухфазных) применяется защита,

реагирующая на ток и мощность нулевой последовательности. Защиты нулевой последовательности выполняются в виде токовых максимальных защит и отсечек как простых, так и направленных.

1. Ток и напряжение нулевой последовательности в какой-либо точке сети равны:

Источником появления токов нулевой последовательности можно считать напряжение U_0K, появляющееся на каждой фазе в месте к. з. (точка K на рис. 8-1, а и б). Под влиянием этого напряжения в каждой фазе возникают токи I₀. Они замыкаются по контуру фаза — земля через место повреждения (точка К) и заземленные нейтрали. Так как неповрежденные фазы не связаны с точкой повреждения непосредственно, то для образования контура циркуляции токов I₀ необходимо представить, что в месте замыкания на землю имеется условное соединение между всеми фазами (показанное на рис. 8-1, б пунктиром). Тогда в месте замыкания на землю проходит ток, равный сумме токов нулевой последовательности I₀ всех трех фаз, который и является действительным током повреждения: Iк = 3I₀. Этот ток направляется через землю к заземленным нейтралям трансформаторов и через них возвращается в фазы сети.

Таким образом, при замыканиях на землю появление токов I₀ возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными-нейтралями.

«(сумма токов фаз в реле составляет 0 (геом. сложение векторов)).При несим. кз (н-р однофазное) сумма токов не равна 0. Мтз нулевой последовательности - обмотки включены в звезду - и поэтому, если три тока от фаз одинаковые, то в реле сумма их - 0 приходит.»

2. Если трансформатор имеет соединение обмоток /, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой последовательности на стороне звезды.

3. Если сети различных напряжений связаны трансформатором, имеющим схему соединения /, с заземлёнными нулевыми точками обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды.

4. При наличии автотрансформаторов, связывающих сети двух напряжений, замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения.

На рис. 8-2 показаны некоторые характерные случаи распределения токов нулевой последователь-

ности в схемах сети. Направление токов, проходящих к месту к. з., принято за положительное.

Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны линии электропередачи (рис. 8-2, а), то при замыкании на землю на этой линии токи нулевой последовательности проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нулевой точкой.

Если же заземлены нулевые точки трансформаторов с двух сторон рас сматриваемого участка

(рис. 8-2, б), то токи нулевой последовательности проходят по нему с обеих сторон от места к. з.

Это позволяет сделать вывод, ч т о р а с п р е д е л е н и е т о к о в н у л е в о й п о с л е д о-

в а т е л ь н о с т и в с е т и о п р е д е л я е т с я р а с п о л о ж е н и е м не генераторов, а з а-

з е м л е н н ы х н е й т р а л е й.

Рис.8-2 Распределение токов нулевой последовательности при 1ф. к.з.

а) при заземлении нейтрали с одной стороны линии;

б) при заземлении нейтралей с обеих сторон линии;

в) при заземлении нейтралей в сети ВН и НН;

г) при к.з. в сети с АТ.

Наиболее полноценной защитой от к.з. на землю является 3-х ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, состоящая из мгновенной ТО (1 ступень), ТО с выдержкой времени (2 ступень) и МТЗ нулевой последовательности (3 ступень).

14. Защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания на землю.

Электрические сети напряжением 3-35 кВ работают с изолированной нейтралью или с нейтралью заземленной через дугогасящую катушку (ДГК).

На рис. 4-7 приведена схема сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю фазы А.

Рис.4-7. Замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью и векторные диаграммы токов и напряжений в сети

а) в нормальном режиме;

В нормальных условиях (отсутствует замыкание на землю) фазные напряжения практически равны фазным э.д.с источника питания, т.к. нагрузка отключена: ;

При этом векторы фазных напряжений образуют симметричную звезду, их сумма равна нулю, а напряжение нейтрали отсутствует.

Под действием фазных напряжений через ёмкости фаз относительно земли С_А, С_В, С_С проходят токи, опережающие напряжение на 90⁰. При этом:

; ;

Сумма ёмкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме также равна нулю (ток замыкания на землю I₀ отсутстует.

При замыканиях на землю одной фазы (например фазы А), напряжение относительно земли этой фазы снижается до нуля по отношению к земле (между точками К и Н становится равным по величине и противоположным по направлению э.д.с. поврежденной фазы:

Фазные напряжения неповрежденных фаз (между проводом В и точкой К повышаются до величины междуфазных напряжений:

;

С учётом обстоятельства, что нейтраль (точка Н) относительно земли (точка К) имеет напряжение , то:

;

или;

Междуфазные напряжения между проводами фаз остаются неизменными.

В месте замыкания на землю (в точке К) проходят токи, замыкающиеся через ёмкости фаз сети.

Поскольку , то . В 2-х других фазах под действием напряжений и появляются токи, опережающие на 90⁰ напряжения:

и

Ток замыкания на землю в месте повреждения (точка К) равен геометрической сумме токов неповрежденных фаз В и С и противоположен им по фазе:

или

Из векторной диаграммы следует, что

поэтому (4-5)

таким образом, ток замыкания на землю равен утроенному значению нормального ёмкостного тока фазы и отстаёт от напряжения нейтрали на 90⁰.

Ток зависит от ёмкости фаз и напряжения сети и может быть рассчитан по формуле:; (4-6)

где:
ℓ	-	общая протяженность одной фазы сети;
Суд.	-	удельная ёмкость фазы сети относительно земли.

Токи и напряжения нулевой последовательности, возникающие при замыканиях на землю (рис. 4-8):

Рис.4-8. Прохождение токов нулевой последовательности при замыканиях на землю.

Учитывая, что получаем:

и так как, то

Таким образом, напряжение нулевой последовательности равно и противоположно нормальному напряжению повреждённой фазы и равно напряжению нейтрали сети. Пренебрегая сопротивлением проводов получаем, что во всех точках сети .

Токи нулевой последовательности İ₀, возникающие под действием замыкаются через ёмкости фаз, при этом

где:
	-	фазное напряжение поврежденной фазы.

С учётом получаем следующее соотношение между током замыкания на землю и током нулевой последовательности:

причём и совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения U_ОК на 90⁰.

В случаях, когда нулевая тока сети заземлена через дугогасящую катушку (ДГК), предназначенную для компенсации ёмкостных токов в месте повреждения значения напряжений во всех точках сети имеют такие же значения, что и в сети с изолированной нулевой точкой (рис. 4-9).

Рис.4-9. Замыкание на землю одной фазы сети с компенсированной нейтралью

а) прохождение токов нулевой последовательности;

б) векторная диаграмма в месте повреждения.

Под влиянием напряжения нулевой последовательности , возникающего в месте повреждения кроме токов I_ОС, замыкающихся через ёмкости С фаз, в каждой фазе появляются индуктивные токи , замыкающиеся черед ДГК.

При этом ток опережает напряжение U_ОК на 90⁰, а ток и противоположны и ток замыкания на землю I_з в месте повреждения равен их разности:

При полной компенсации когда Х_С=Х_L можно уменьшить ток замыкания до нуля.

В отличии от к.з. на землю (в сетях с глухо заземленной нейтралью) замыкания на землю одной фазы (в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью) не требуют немедленной ликвидации аварийного режима. Однако, отключать замыкание на землю необходимо т.к. возможен переход однофазного замыкания в междуфазное к.з. (из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к двойным замыканиям на землю в разных точках сети и появлению больших токов к.з.).

Как правило, защиты от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания выполняют с действием на сигнал. Эти защиты должны быть селективными и иметь высокую чувствительность, т.к. токи повреждения, на которые реагируют защиты малы (5-10 А).

Замыкания на землю на воздушных линиях электропередачи, особенно в населённых пунктах целесообразно отключать для обеспечения электробезопасности населения, поэтому защиты от замыканий на землю этих линий должны действовать на отключение.

В качестве защит от замыканий на землю наибольшее применение нашли защиты от замыканий на землю, реагирующие на: ёмкостный ток сети или на ток нулевой последовательности; напряжение нулевой последовательности.

Защина по напряжению нулевой последовательности (контроль изоляции) является наиболее простой защитой от замыканий на землю в сетях с малыми токами замыкания (рис. 4-11).

Рис.4-11. Защита по напряжению нулевой последовательности (контроль изоляции).

Контроль изоляции выполняется с помощью одного реле максимального напряжения нулевой последовательности.

При появлении «земли» появляется напряжение нулевой последовательности и срабатывает реле напряжения, которое своими контактами подаёт сигнал дежурному персоналу.

Контроль изоляции фактически представляет собой неселективную сигнализацию о появлении замыкания на землю без указания повреждённого участка. При срабатывании защиты дежурный поочерёдным отключением присоединений определяет повреждённый элемент, что является серьёзным недостатком защиты.

Как правило, неселективную сигнализацию дополняют селективной токовой защитой от замыканий на землю. В качестве селективных защит, указывающих повреждённый участок сети, применяются также направленные токовые защиты нулевой последовательности, реагирующие на токи и мощность нулевой последовательности.

15. Защита генераторов блоков от замыкания на землю.

В качестве защиты от однофазных замыканий на землю в статоре генераторов, работающих в блоке с трансформаторами широко применяют защиту максимального напряжения нулевой последовательности, выполненную на одном реле максимального напряжения, которое включается на обмотку разомкнутого треугольника трансформатора напряжения, установленного на главных выводах генератора.

Схема защиты представлена на рис. 9-5 и состоит из реле максимального нгапряжения 1, реле времени 2 и вольтметра 3. Реле напряжения включается на фильтр напряжения нулевой последовательности (к разомкнутому треугольнику генераторного ТН). Для правильной работы фильтра нейтраль первичной обмотки ТН должна быть обязательно заземлена, при этом напряжение на разомкнутом треугольнике

В нормальном режиме из-за погрешностей ТН и наличия третьих гармоник в напряжении в фазных э.д.с. вследствие искажения синусоидальной формы кривой, на зажимах размкнутого треугольника ТН появляется напряжение небаланса U_нб, поэтому напряжение срабатывания защиты должно удовлетворять условию: U_с.з.>U_нб

Рис. 9-5. Схема защиты генератора блока от замыканий на землю с реле напряжения нулевой последовательности

а) схема защиты с ТН на выводах генератора;

б) зависимость U0 и Iз от числа замкнувшихся на землю витков обмотки статора.

Недостатком рассмотренной максимальной защиты напряжения нулевой последовательности является наличие зоны нечувствительности при замыкании вблизи нулевых выводов обмотки статора.

Защита состоит из 2-х реле: органа основной гармоники и органа третьей гармоники.

Орган первой гармоники представляет собой максимальное реле напряжения с фильтром высших гармоник, пропускающим только напряжение основной гармоники.

Реле подключается к разомкнутому треугольнику ТН генератора и предназначено для защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора со стороны главных выводов генератора.

Первый орган (U₀) реагирует на основную составляющую напряжения нулевой последова­тельности U₀ и защищает 85-95% витков обмотки статора со стороны фазных выводов; U₀ включается на напряжение нулевой последовательности 3U₀ ТН линейных выводов генератора, измеряемое обмоткой «разомкнутый треугольник».

Орган третьей гармоники представляет собой реле напряжения с торможением, в котором рабочее напряжение представляет собой сумму напряжений третьей гармоники , а тормозным напряжением является напряжение нейтрали . Реле подключается к разомкнутому треугольнику ТН генератора и ко вторичной обмотке ДГК (или ТН нейтрали генератора) и предназначено для защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора со стороны нулевых выводов генератора.

Второй орган (U₀₃) реагирует на соотношение напряжений третьей гармоники в нейтрали и на выводах генератора и защищает часть витков обмотки статора со стороны нейтрали (зависит от Кт). Состоит из двух контуров, рабочего и тормозного.

Рабочая цепь U₀₃ включается на напряжения нулевой последовательности на выводах генератора (U∆) и в его нейтрали (Un), а тормозная цепь включается на напряжение нулевой последовательно­сти в нейтрали генератора (Un).При этом, орган U₀₃ реагирует только на отношение абсолютных значений третьей гармоники указанных напряжений, в соответствии с условием срабатывания защиты:

где – рабочее напряжение,

– тормозное напряжение,

К_Т – коэффициент торможения.

Коэффициент торможения реле обычно принимают равным:

Значения напряжений третьей гармоники как на главных выводах, так и в нейтрали генератора относительно малы. Отношение этих напряжений практически не изменяется и не зависит от изменения нагрузки и режима работы генератора.

В нормальном режиме (без замыкания на землю) защита ЗЗГ-1 не работает так как во-первых орган основной гармоники имеет уставку срабатывания превышающую напряжение небаланса на разомкнутом треугольнике ТН генератора U_с.з1>U_нб, и во-вторых суммарное напряжение (в рабочем контуре реле близко к нулю || и || противоположны по фазе, а в тормозном контуре действует напряжение надёжно блокируя орган третьей гармоники.

При замыкании на землю на главных выводах или в части обмотки статора со стороны главных выводов генератора орган основной гармоники срабатывает т.к. на разомкнутом треугольнике ТН генератора появляется напряжение 3U₀=U_Ф.Г.>U_с.з.1=0,15U_Ф.Г.

Орган третьей гармоники не работает, так как при замыкании на землю одной из фаз на выводах генератора напряжение равно нулю, при этом напряжение в рабочем и тормозном контурах будут равны. Срабатывание или несрабатывание защиты в этом случае зависят от коэффициента торможения, а так как К_Т настраивается равным 2, то орган третьей гармоники будет блокирован.

При замыкании в нейтрали напряжение третьей гармоники снижается до нуля, а возрастает, при этом тормозное напряжение также снижается до нуля, а рабочее возрастает U_раб>U_торм и орган третьей гармоники срабатывает. Орган первой гармоники в этом режиме не работает т.к. имеет мёртвую зону со стороны нейтрали.

16. Сравнительная характеристика схем: трех трансформаторный фильтр токов I0 и схема с ТНП.

Токовая защита, реагирующая на полный ток нулевой последовательности используется в радиальных сетях. В некомпенсированной сети она реагирует на естественный ёмкостный ток, а в компенсированной – действует при появлении остаточного тока перекомпенсации.

На рис. 4-10 показаны два варианта защиты, различающиеся своей чувствительностью.

Реагирующий орган защиты состоит из токового реле 1, питающегося через фильтр нулевой

последовательности.

Рис.4-10. Схемы токовой защиты нулевой последовательности

а) с 3-х трансформаторным фильтром;

б) с ТНП.

Реагирующий орган защиты (токовое реле 1) подключается к фильтру токов нулевой последовательности. В схеме а) используется 3-х трансформаторный фильтр, а в схеме б) применён специальный трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП).

В 3-х трансформаторном фильтре ток 3I₀ получается суммированием вторичных токов ТТ 3-х фаз: .

В однотрансформаторном фильтре ток 3I₀ получается магнитным суммированием первичных токов 3-х фаз ТНП.

Защита с 3-х трансформаторным фильтром нулевой последовательности имеет низкую чувствительность по сравнению с ТНП, который позволяет обеспечить действие защиты при малых первичных токах порядка 3-5А, а в сочетании ТНП с высокочувствительным реле можно обеспечить ток срабатывания защиты 1-2А.

Схема с трехтрансформаторным фильтром находит применение в воздушных сетях 35

кВ, для которых ТНП еще не получило распространения.

Таким образом, схема защиты с ТНП является основной для сети с малым током замыкания на землю.

Как правило, защита выполняется с выдержкой времени (с помощью реле времени 2) и действует на сигнал (через указательное реле 3).

Ток срабатывания защиты отстраивается от ёмкостного тока защищаемой линии при замыканиях на землю на других присоединениях, и от тока небаланса при к.з. в сети.

Первичный ток срабатывания защиты:

где:
Кб	-	коэффициент, учитывающий бросок ёмкостного тока, равный 45 (при наличии выдержки времени Кб=23);
КН	-	коэффициент надёжности, равный 1,11,2.

Чувствительность защиты при замыканиях на землю на защищаемой линии проверяется по отношению токов, протекающих через ТНП повреждённой линии к току срабатывания защиты:

Коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,25 для кабельных и 1,5 для воздушных линий.

17. Продольная токовая дифференциальная защиты линий.

Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.

Как видно из рис. 6-1, при внешнем к. з. токи I₁ и I_II на концах линии АВ направлены

в одну сторону и равны по величине, а при к. з. на защищаемой линии они направлены в

разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя величину

и фазу токов I₁ I_II, можно определять, где возникло к. з. — на линии или за ее пределами.

Такое сравнение токов по величине и фазе осуществляется в реагирующем органе (реле)

дифференциальной защиты.

Очевидно, что при внешнем к.з. токи по концам защищаемой линии направлены в одну сторону и равны по величине, а при к.з. на линии они направлены в разные стороны и, как правило, не равны по величине (рис. 6‑1). Следовательно, сравнивая величину и фазу (направление) токов по концам линии можно определять, где возникло повреждение – на линии или за её пределами.

Рис.6-1. Токи по концам линии (а) при внешних к.з. и (б) на линии.

Для осуществления продольной дифференциальной защиты по концам защищаемой линии устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются при помощи соединительных проводов и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к.з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце защищаемой линии, а при к.з. на линии – их сумме.

На рис. 6-2 представлена схема продольной дифференциальной защиты линии с циркулирующими токами.

Таким образом, дифференциальная продольная защита с постоянно циркулирующими токами в обмотке органа тока реагирует на полный ток КЗ в защищаемой зоне (участок линии, заключенный между трансформаторами тока ТТ1 и ТТ2), обеспечивая при этом мгновенное отключение поврежденной линии.

Участок, ограниченный трансформаторами тока, называется зоной действия продольной дифференциальной защиты.

Рис. 6-2. Прохождение токов в схеме продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами:

а) при к.з. вне зоны защиты;

б) при к.з. в зоне защиты при одностороннем питании;

в) при к.з. в зоне защиты при двухстороннем питании.

Одна из особенностей продольной дифференциальной защиты линий состоит в том, что для отключения линии с 2-х сторон необходимо включать в токовые цепи защиты два реле с обоих концов защищаемой линии (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Принцип выполнения продольной дифференциальной защиты линий (установка 2-х реле по концам защищаемой линии).

Применение 2-х реле приводит к снижению чувствительности защиты, т.к. в каждом реле проходит только часть полного тока к.з. Кроме того, из-за большой протяженности соединительных проводов нагрузка на трансформаторы тока достаточно велика, что также является недостатком защиты.

Дифференциальная защита может быть выполнена по другой схеме – на равновесии напряжений. В этом случае вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. их э.д.с. были направлены встречно, а реле включаются последовательно в цепь соединительных проводов (рис. 6-4).

Рис.6-4. Принцип действия продольной дифференциальной защиты на равновесии напряжений:

а) при внешних к.з.

б) при к.з. на защищаемой линии.

В схеме с уравновешенным напряжением (рис. 6-4, а) вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются так, чтобы в условиях внешнего к. з. их э. д. с. были направлены встречно, а реле включается последовательно в цепь соединительных проводов.

При к. з. в зоне защиты (рис. 10-3, б) вторичные э. д. с. Е_В1 и Е_В2 складываются и вызывают в реле ток I_р, под действием которого оно срабатывает.

В схеме дифференциальной защиты на равновесии напряжений при внешних к.з., а также при прохождении токов нагрузки вторичные э.д.с. ТТ равны и совпадают по фазе и т.к. токи по концам защищаемой линии равны и равны коэффициенты трансформации ТТ, то ток в реле:

где:
Z	-	полное сопротивление контура «трансформаторы тока – реле».

Из-за погрешностей ТТ появляется э.д.с. небаланса и в реле появляется ток небаланса I_нб и ток срабатывания защиты необходимо отстраивать от тока небаланса при внешних к.з.

При к.з. в зоне защиты вторичные э.д.с. и складываются и вызывают появление тока в реле под действием, которого защита срабатывает.

Однако, в нашей стране наибольшее распространение получила схема дифференциальной защиты основанная на принципе циркуляции токов.

18. Поперечная токовая дифференциальная защиты линий.

Поперечные дифференциальные защиты применяются на параллельных линиях, имеющих одинаковое сопротивление, и основаны на сравнении величин и фаз токов, протекающих по обеим линиям.

Благодаря равенству сопротивлений линий в нормальном режиме и при внешнем к, з. токи в них равны но величине и фазе (рис. 6-5).

В случае к. з. на одной из линий равенство токов нарушается. На питающем конце (А) линия токи I₁ п I_II совпадают по фазе, но различаются по величине, а yа приемном* (В) про­тивоположны по фазе, что следует из токораспределение, приведенного на рис, 6-5, б. Таким образом, нарушение равенства токов в параллельных линиях по величине или фазе является признаком повреждения одной из них.

На параллельных линиях, имеющих одинаковое сопротивление, применяются поперечные дифференциальные защиты: токовая поперечная дифференциальная защита (на параллельных линиях, имеющих один общий выключатель); направленная поперечная дифференциальная защита (на параллельных линиях с самостоятельными выключателями).

Рис. 6-5. Распределение токов в параллельных линиях:

а) при нормальной нагрузке и в режиме внешнего к.з.

б) при к.з. на одной из линий.

Принцип действия поперечных дифференциальных защит линий основан на сравнении величин и фаз токов протекающим по обеим параллельным линиям.

Действительно в нормальном нагрузочном режиме и в режимах внешнего к.з. токи в обеих линиях равны как по величине, так и по фазе (рис. 6-5). Очевидно, что в случае к.з. на одной из параллельных линий равенство токов нарушается при этом на питающем конце линий токи совпадают по фазе, а на приёмном противоположны по фазе.

Токовая поперечная дифференциальная защита устанавливается на параллельных линиях имеющих общий выключатель на обе линии.

При одностороннем питании линий защиты размещается только со стороны источника питания, а в сети с 2-х сторонним питанием – с обеих сторон параллельных линий.

Упрощенная принципиальная схема токовой поперечной дифференциальной защиты показана на рис. 6-6. Вторичные обмотки ТТ, установленных на каждой линии. соединяются между собой по схеме на разность токов. Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается токовое реле типа РТ‑40.

Очевидно, что ток в реле равен разности вторичных токов ТТ первой и второй параллельных линий, т.е.:

В нормальном нагрузочном режиме, когда по линиям проходят равные по величине и фазе токи, а также в режиме внешнего к.з. первичные токи I_I=I_II, и поскольку коэффициенты трансформации ТТ защиты выбираются также одинаковыми как и в продольной дифференциальной защите, то вторичные токи также равны и ток в реле I_P=0.

Практически из-за погрешностей ТТ и неравенства первичных токов I_I и I_II в реле протекает небольшой ток называемый током небаланса.

При к.з. на одной из параллельных линий (например, в точке К на линии Л1, как показано на рис. 6-6) токораспределение изменится, токи I_I и I_II не будут равны друг другу и через реле будет проходить ток равный разности вторичных токов и если этот ток будет больше тока срабатывания реле, то защита подействует на отключение выключателя обеих линий.

При внешних к.з. (на шинах приемной подстанции или за её пределами) т.е. при прохождении по линиям сквозного тока, защита работать не будет.

Рис. 6-6. Принцип действия токовой поперечной дифференциальной защиты:

а) режим нагрузки и внешнего к.з.;

б) режим к.з. на одной линии Л1.

Таким образом, токовая поперечная дифференциальная защита имеет ограниченную параллельными линиями зону действия, также как и продольная дифференциальная защиты является защитой с абсолютной селективностью и поэтому может выполняться без выдержки времени, что является её основным достоинством.

Для того чтобы токовая поперечная дифференциальная защита не подействовала неправильно при прохождении по линии тока нагрузки и тока внешнего к.з., ток срабатывания её должен быть больше максимального тока небаланса:

,

где:
Кн	-	коэффициент надёжности >1
Iнб. макс	-	максимальное значение тока небаланса при внешнем к.з.

Следует иметь ввиду, что токовая поперечная дифференциальная защита имеет так называемую «мёртвую зону» вблизи шин противоположной подстанции, которая тем меньше, чем меньше ток срабатывания защиты и чем больше ток к.з.

Действительно, если к.з. произошло на одной из линий близки шин противоположной подстанции, то величины токов I_I и I_II будут вблизи по величине, их разность может оказаться меньше тока срабатывания защиты и защита не подействует.

На линиях с односторонним питанием токовая поперечная дифференциальная защита устанавливается только со стороны источника питания, а на линиях с 2-х сторонним питанием – с обеих сторон линий.

Как отмечалось выше, недостатком поперечной дифференциальной защиты является наличие «мёртвой зоны», что требует установки дополнительной защиты от повреждений в конце защищаемых линий. В качестве такой дополнительной защиты обычно применяется МТЗ.

19. Направленная защита с в.ч. блокировкой (НВЧЗ). Канал токов высокой частоты.

Высокочастотные (в. ч.) защиты являются быстродействующими и предназначаются для линий средней и большой длины. Они при­меняются в тех случаях, когда по условиям устойчивости или другим причинам требуется быстрое двустороннее отключение к. з. в любой точке защищаемой линии.

По принципу своего действия в. ч. защиты не реагируют на к. з. вне защищаемой линии и поэтому, так же как и дифференци­альные защиты, не имеют выдержки времени. В настоящее время применяются два вида в. ч. защит:

• направленные защиты с высокочастотной бло­кировкой (т. е. с блокировкой токами высокой частоты), основан­ные на сравнении направлений мощности к. з. по концам защищае­мой линии:

• дифференциально-ф а з н ы е в. ч. защиты, осно­ванные на сравнении фаз токов по концам линии.

Направленная в. ч. защита реагирует на направление (или знак) мощности к. з. по концам защищаемой линии.

Как видно из ряс. 12-1, а, при к. з. на защищаемой линии (в точке К1 мощности к. з. на обоих концах поврежденного участка АВ имеют одинаковый знак и направление от шин в линию.

В случае же внешнего к. з. (точка К2) направление и знаки мощности по концам защища-

емой линии оказываются различными. На ближайшем к месту повреждения конце линии

мощность к. з. S_В отрицательна и направлена к шинам, а на удаленном положительна и

направлена от шин в линию.

Из этого следует, что, сравнивая направления мощности по концам линии, можно опре-

делить, где возникло повреждение: на линии или за ее пределами.

Такое сравнение осуществляется при помощи реле мощности М (рис. 12-1, б), которые

устанавливаются на обоих концах линии и включаются так, чтобы при к. з. на защищаемой

линии они разрешали действие защит на отключение.

Поэтому при к. з. в точке К (рис. 12-1, б) подействуют на отключение только защиты 3 и

4, установленные на поврежденной линии ВС. На неповрежденной линии АВ реле мощно-

сти защиты 1 замыкает свои контакты, разрешая ей действовать на отключение. Однако на

приемном конце линии АВ реле мощности защиты 2 под влиянием мощности к. з., направ-

ленной к шинам, размыкает свои контакты, чем запрещает действие на отключение своей

защиты и одновременно блокирует действие защиты 1 посылкой блокирующего сигнала то-

ка высокой частоты по проводам этой же линии. Блокирующий ток посылается специаль-

ными генераторами токов высокой частоты ГВЧ (рис. 12-2), управляемыми реле мощности

М, и принимается специальными приемниками токов высокой частоты ПВЧ, настроенными

на ту же частоту, что и генераторы.

Приняв высокочастотный сигнал, приемники выпрямляют полученный ток и подают его в

обмотку блокирующего реле Б, которое размыкает цепь отключения своей защиты, не поз-

воля ей действовать на отключение.

При к. з. на защищаемой линии блокирующий сигнал высокой частоты отсутствует, так

как реле мощности, срабатывая, не позволяют действовать передатчикам высокой частоты.

В этом случае контакты блокирующих реле остаются замкнутыми, разрешая реле мощности

действовать на отключение.

Таким образом, блокирующий ток высокой частоты появляется в линии только при

внешних к. з., обеспечивая селективную работу защиты. Зона действия защиты ограничи-

вается трансформаторами тока, питающими реле мощности.

На рассмотренном принципе выполняются защиты, сравнивающие направления мощно-

стей в фазах или мощности нулевой или обратной последовательности. Реле мощности в двух последних случаях включаются через соответствующие фильтры на токи и напряжения

нулевой или обратной последовательности.

Из принципа действия направленной высокочастотной защиты следует, что защита со-

стоит из двух комплектов (А и В на рис. 12-2), каждый из комплектов содержит релейную

часть, реагирующую на направление мощности к. з., и в. ч. часть, генерирующую и прини-

мающую токи высокой частоты.

Высокочастотным (в.ч.) каналом называют путь, по которому замыкаются токи высокой частоты, используемые для блокировки защиты.

На рис. 6-9 показан в.ч. канал по схеме фаза-земля, при которой в.ч. сигнал передаётся по одному из проводов линии и возвращается по земле.

На каждом конце линии устанавливается в.ч. пост 1. Выходная цепь в.ч. поста одним зажимом подключается к земле, а другим к линии через в.ч. кабель 2, фильтр присоединения 3 и конденсатор связи 4. В сторону шин подстанций по концам провода линии электропередачи используемого для передачи в.ч. сигнала, устанавливаются в.ч. заградители 5.

Рис. 6-9. Принципиальная схема в.ч. канала.

Потери энергии, происходящие при передаче в. ч. сигнала, называются затуханием и характеризуются величиной:

где Р_вх — мощность на входе рассматриваемого элемента канала (в начале элемента);

Р_вых — мощность, получаемая на его выходе (в конце элемента).

20. Дифференциально-фазная в.ч. защита (ДФЗ).

Дифференциально-фазная высокочастотная (в.ч.) защита относится к быстродействующим защитам с абсолютной селективностью и применяется на линиях средней и большой длины в случаях, когда по условиям устойчивости требуется быстрое отключение к.з. в любой точке защищаемой линии.

Удовлетворяющие этому же требованию обычные продольные дифференциальные защиты из-за большой стоимости соединительного кабеля и большого его сопротивления для длинных линий непригодны.

Принцип действия дифференциально-фазной в.ч. защиты основан на сравнении фаз токов по концам защищаемой линии.

Принимая положительное направление тока от шин в линию можно сделать вывод о том, что при внешнем к.з. токи по концам линии имеют различные знаки и следовательно, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180⁰. При к.з. на линии токи по её концам имеют одинаковый знак и их можно считать совпадающими по фазе. Таким образом, сравнивая фазы токов по концам линии можно установить место к.з.

Дифференциально-фазная в.ч. защита состоит из 2-х одинаковых полукомплектов, расположенных по концам защищаемой линии, а сравнение фаз токов осуществляется косвенным путём с помощью токов высокой частоты, которые передаются по высокочастотному каналу с использованием проводов защищаемой линии.

Упрощённая принципиальная схема дифференциально-фазной защиты и диаграмма, поясняющая принцип её действия приведены на рис. 6-11.

Защита состоит из в.ч. поста, включающего в себя в.ч. генератор ГВЧ, приёмник ПВЧ, реле отключения РО, подключенного к выходу приёмника и двух пусковых реле П1 и П2, одно из которых пускает ГВЧ, а второе контролирует цепь отключения защиты.

В.ч. генератор управляется (манипулируется) непосредственно током промышленной частоты при помощи специального трансформатора ТМ, который подключается к ТТ линии.

Рис. 6-11. Упрощённая принципиальная схема и диаграмма токов дифференциально-фазной высокочастотной защиты.

Токи высокой частоты передаются по каналу, образованному проводом линии высокого

напряжения и землей. Выход токов в. ч. за пределы линии ограничивается заградителями 1,

подключение в, ч. постов 2 осуществляется через конденсаторы связи 3.

Защита выполнена таким образом, что генератор передаёт в.ч. сигнал только в течение положительных полупериодов тока промышленной частоты.

При внешних к.з. (вне зоны действия защиты) фазы первичных токов по концам линии противоположны, генератор на конце линии m работает в течение первого полупериода первичного тока, а на конце n – в течение второго полупериода. В.ч. сигнал протекает по линии непрерывно и питает приёмники на обеих сторонах линии. При этом выходной ток приёмников и в цепи реле РО отсутствует и защита не работает.

При к.з. на линии (в зоне действия защиты) фазы первичных токов по концам линии совпадают, генераторы обоих комплектов защиты работают одновременно. При этом в.ч. сигнал на входах приёмников имеет прерывистый характер с интервалами времени, равными полупериоду первичного тока. В этом случае приёмники работают в промежутки времени, тогда в.ч. сигнал отсутствует и не работает при наличии в.ч. сигнала. В выходной цепи приёмника появляется прерывистый ток, реле РО срабатывает и отключает линию.

Таким образом, сдвиг фаз между токами, проходящими по обоим концам линии, определяется по характеру в.ч. сигналов (сплошные или прерывистые), на которые при помощи приёмника реагирует защита.

21. Основные виды повреждений генераторов. Требования к защите генераторов от повреждений.

К основным видам повреждений генераторов относятся:

- междуфазные к.з. (3-х и 2-х фазные к.з.);

- замыкания на землю (корпус) одной фазы обмотки статора;

- замыкания на землю (корпус) в обмотке ротора (в одной или в 2х точках цепи возбуждения);

- замыкания между витками одной фазы обмотки статора;

- витковые замыкания в обмотке ротора.

Повреждения обмотки статора. Междуфазные к.з. (3-х фазные и 2-х фазные) относятся к наиболее тяжёлым повреждениям генераторов. Они сопровождаются большими токами, которые в несколько раз превышают номинальный ток генератора.

Для защиты генераторов от междуфазных к.з., вызывающих значительные разрушения в статоре на генераторах мощностью более 1 МВт устанавливается продольная дифференциальная защита, действующая на отключение и развозбуждение генератора.

На генераторах меньшей мощности допускается применение более простых защит: максимальной токовой защиты или отсечки.

Однофазные замыкания на землю в крупных генераторах напряжением 3 кВ и выше, работающих с изолированной нейтралью, сопровождаются прохождением в месте замыкания небольших токов, однако длительное прохождение их и горение дуги в месте замыкания на корпус генератора могут привести к выгоранию изоляции и значительному оплавлению активной стали статора, после чего потребуется продолжительный ремонт с заменой повреждённой стали.

Из опыта эксплуатации и специальных испытаний установлено, что при однофазных повреждениях в обмотке статора ток замыкания на землю величиной до 5А не приводит к значительным повреждениям стали. Поэтому при токах замыкания на землю в сети генераторного напряжения величиной менее 5А защита от однофазных замыканий на землю, как правило, выполняется с действием на сигнал.

Если же токи замыкания на землю превышают величину 5А, а также на мощных генераторах независимо от величины тока замыканий на землю, защита должна действовать на отключение генератора от сети и развозбуждение.

На генераторах малой мощности напряжением до 500 В, работающих с заземлённой нейтралью, защита от однофазных к.з., которые сопровождаются большими токами к.з. должна действовать на отключение и развозбуждение генератора.

При замыканиях между витками одной фазы в статоре генератора, токи, проходящие в

месте повреждения соизмеримы с токами к.з. между фазами. На генераторах, имеющих выведенные параллельные ветви, для защиты от витковых замыканий устанавливается поперечная дифференциальная защита, действующая на отключение и развозбуждение генератора. На генераторах, не имеющих выведенных параллельных ветвей, защита от витковых замыканий не устанавливается, так как выполнить такую защиту технически сложно, а также потому, что витковые замыкания в статоре генератора происходят одновременно с однофазным замыканием на землю или междуфазным к.з. Поэтому при витковых замыканиях в обмотке статора, как правило, будут срабатывать защиты генератора от однофазных замыканий на землю или междуфазных к.з.

Повреждения обмотки ротора

Замыкание на землю в одной точке обмотки ротора не оказывает влияние на нормальную работу генератора, так как ток в месте повреждения не проходит, а симметрия магнитного потока ротора не нарушается. Однако наличие одного замыкания на землю в цепи возбуждения представляет опасность для генератора, так как в случае появления второго замыкания на землю часть обмотки ротора оказывается замкнутой накоротко. Особенно это опасно для явнополюсных синхронных машин (гидрогенераторов и синхронных компенсаторов).

При замыкании на землю в двух точках обмотки ротора из-за несимметрии

магнитного потока появляется сильная вибрация.

Появление дуги в месте замыкания приводит к повреждениям обмотки и стали ротора. Поэтому на гидрогенераторах предусматривается защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения, которая действует на сигнал, а защита от двойных замыканий на землю не устанавливается. При появлении сигнала о замыкании в одной точке цепи возбуждения дежурным персоналом должны приниматься меры по скорейшему выводу генератора из работы для устранения замыкания на землю. На мощных гидрогенераторах эта защита должна действовать на отключение.

Неявнополюсные генераторы (турбогенераторы) в большинстве случаев могут некоторое время работать при наличии замыкания на землю в цепи возбуждения без существенных повреждений. Поэтому турбогенераторы при появлении замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения, как правило, остаются в работе и на них устанавливается только защита от двойных замыканий на землю. Эта защита выполняется с действием на сигнал на генераторах с косвенным охлаждением обмотки ротора. На мощных турбогенераторах с непосредственным охлаждением обмоток ротора защита от двойных замыканий на землю в цепи возбуждения выполняется с действием на отключение.

Замыкание на землю в двух точках обмотки ротора фактически является витковым

замыканием обмотки ротора, поэтому отдельная защита от витковых замыканий на

генераторах не предусматривается.

22. Ненормальные режимы работы генераторов. Требования к защите генераторов от ненормальных режимов.

Ненормальными (анормальными) режимами генератора считаются:

- перегрузка по току статора (симметричная и несимметричная);

- перегрузка по току ротора;

- повышение напряжения;

- асинхронный режим.

Генераторы должны эксплуатироваться на номинальных параметрах указанных на

заводских табличках (паспортах) или с отклонениями от них, но в допустимых пределах.

Номинальный режим генератора – это режим, при котором обеспечивается номинальная

мощность при максимальном к.п.д. (Номинальная мощность генератора – это длительная

мощность, при которой обеспечивается наиболее экономичный и оптимальный режим по всем

параметрам генератора: напряжениям статора и ротора, токам статора и ротора, температурам

обмоток и активной стали статора и ротора, максимальный к.п.д и cos ).

Перегрузка по току статора током больше номинального также как и внешние, по отношению к генератору к.з., вызывают перегрев обмотки статора и могут привести к её повреждению, если температура нагрева превысит предельное значение опасное для изоляции.

Зависимость допустимой длительности перегрузки t_доп от кратности тока генератора I_г к номинальному току I_ном .

Современные мощные генераторы выполняются с непосредственным охлаждением обмоток, в которых охлаждающая среда циркулирует внутри токоведущих стержней, благодаря чему обеспечиваются лучшие условия охлаждения и более высокие плотности тока. Конструкция генераторов с непосредственным (форсированным) охлаждением такова, что они допускают значительно меньшую перегрузку, чем генераторы меньшей мощности с косвенным охлаждением.

Перегрузка по току ротора генератора может произойти при отказах в системе управления возбуждением. Допустимое время нагрева ротора также ограничено и зависит от кратности перегрузки (отношения I_рот/I_ном).

Для предотвращения повреждений ротора при перегрузке его обмотки во время форсировки возбуждения на генераторах предусматривается автоматическое ограничение длительности форсировки, а на генераторах с непосредственным охлаждением защита ротора от перегрузки, действующая на отключение генератора.

Как следует из таблиц перегрузка до 30% на генераторах с непосредственным охлаждением и до 50% на генераторах с косвенным охлаждением допускается в течение достаточно длительного времени (2 мин и более), поэтому при таких перегрузках немедленного автоматического отключения генератора не требуется.

Во многих случаях перегрузки, обусловленные форсировкой возбуждения, синхронными качаниями и т.п. ликвидируются внешними защитами до истечения предельного времени t_доп. Отключение генераторов при перегрузках допускается только тогда, когда принятые дежурным персоналом меры по их разгрузке не дают результата, а допустимые время истекло.

Поэтому защиты от перегрузки генераторов на электростанциях с дежурным персоналом действуют на сигнал, а на полностью автоматизированных электростанциях защиты от перегрузки выполняются с действием на отключение или разгрузку генераторов по истечению допустимого времени перегрузки.

Несимметричная перегрузка по току статора возникает при 2-х фазных и однофазных к.з. вне генератора, при обрывах одной или 2-х фаз цепи, соединяющей генератор с нагрузкой, а также при неполнофазных режимах работы сети. Несимметрия токов в статоре генератора приводит к дополнительному нагреву ротора и механической вибрации, что может привести к повреждению генератора. Несимметрия может возникнуть при отказе во включении и отключении одной из фаз выключателя.

Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора генератора токов обратной последовательности, которые имеют обратное чередование фаз и создают магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора. Магнитный поток от токов обратной последовательности создаёт дополнительный пульсирующий с двойной частотой электромагнитный момент, пересекает корпус ротора с двойной скоростью и индуктирует в металлических частях ротора (в бочке ротора) значительные вихревые токи, имеющие двойную частоту. Вихревые токи вызывают повышенный нагрев ротора, а пульсирующий момент – вибрацию вращающихся частей машины.

Допустимая длительность прохождения по генератору тока обратной последовательности может быть определена по следующему выражению:

где:
tдоп	-	допустимая длительность прохождения тока обратной последовательности;
	-	кратность тока обратной последовательности по отношению к номинальному току генератора;
А	-	постоянная величина для генератора данного типа.

Защита генераторов от внешних несимметричных к.з. и несимметричных режимов осуществляется специальной токовой защитой обратной последовательности, действующей на сигнал при незначительной несимметрии выше допустимых значений и на отключение при появлении опасных для генератора значений токов обратной последовательности.

Повышение напряжения возникает на генераторах при внезапном сбросе нагрузки так как при этом исчезает магнитный поток реакции статора и увеличивается частота вращения разгрузившейся машины.

Повышение напряжения на выводах обмотки статора генератора может привести к пробою изоляции и возникновению в генераторе междуфазного к.з.

На турбогенераторах регулятор скорости предотвращает значительное увеличение скорости вращения, а если скорость вращения превысит 110% номинальной, срабатывает автомат безопасности и прекращается доступ пара в турбину.

На гидрогенераторах при сбросе нагрузки могут иметь место увеличение скорости вращения до величины 150-170% номинальной и соответствующее повышение напряжения статора. Поэтому защита от повышения напряжения устанавливается только на гидрогенераторах с действием на отключение и развозбуждение.

Асинхронный режим на генераторах возникает при потере возбуждения, а также при потере синхронизма генератора работающего параллельно с другими генераторами системы.

При работе в асинхронном режиме увеличивается скорость вращения генератора и возникает пульсация тока статора.

Большинство турбогенераторов может длительно работать в асинхронном режиме (с косвенным охлаждением до 30 минут с нагрузкой до 60%, с непосредственным охлаждением до 15 минут с нагрузкой до 40% номинальной).

Асинхронный режим работы гидрогенераторов в большинстве случаев сопровождается значительным понижением напряжения и большими качаниями, при которых ток статора может в несколько раз превышать номинальный. Поэтому «Правилами технической эксплуатации» (ПТЭ) работа гидрогенераторов в асинхронном режиме без возбуждения, а также работа возбуждённого гидрогенератора в асинхронном режиме относительно других генераторов энергосистемы запрещается.

В случае потери возбуждения все гидрогенераторы необходимо отключать от сети или немедленно принять меры к восстановлению нормального режима, для этого гидрогенераторы оснащаются защитой от потери возбуждения, действующей на отключение и развозбуждение, а на мощных гидрогенераторах дополнительно устанавливается специальная защита от асинхронного хода, действующая на немедленную разгрузку генератора по активной мощности и если асинхронный ход не устраняется – на отключение от сети и развозбуждение генератора.

23. Продольная дифференциальная защита генераторов (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Основной защитой генератора от междуфазных к.з. в обмотке статора генератора и на его

выводах является продольная дифференциальная защита.

Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении

величин и фаз токов по концам защищаемой зоны.

Рис.7.2 Принцип действия продольной диф.защиты генератора а) токораспределение при внешнем к.з.

б) токораспределение при к.з. в зоне.

При внешнем к.з. (К1) и в нагрузочных режимах токи в первичных обмотках трансформаторов

тока (I_I и I_II) равны по величине и направлены в одну сторону (к месту к.з.), а ток в реле I_p=I_IB-I_IIB равен нулю поэтому защита не работает.

При к.з. в зоне действия защиты (К2) первичные токи к.з. направлены встречно

(противоположны по фазе), ток в реле суммируется I_p=I_IB+I_IIB и реле срабатывает если I_p>I_с.з.

Продольная дифференциальная защита должна действовать на отключение генераторного выключателя и развозбуждение генератора (отключение автомата гашения поля – АГП).

В действительности из-за погрешностей трансформаторов тока в реле появляется ток небаланса I_p=I_нб. Для исключения ложной работы защиты ток срабатывания продольной диф. защиты генератора выбирается по условию отстройки от тока небаланса, проходящего в реле при внешних к.з.: Ic.з.=Кн*Iнб.макс

Кн – коэффициент надёжности;

Iнб.макс – расчётный максимальный ток небаланса.

Чтобы уменьшить ток небаланса для продольной дифференциальной защиты подбираются трансформаторы тока с одинаковыми характеристиками намагничивания. При расчёте тока небаланса это учитывается коэффициентом однотипности.

Для повышения чувствительности дифференциальной защиты наиболее целесообразно использовать реле с быстро насыщающимися трансформаторами типа РНТ, а также использовать диф. реле с торможением типа ДЗТ.

Чувствительность продольной дифференциальной защиты генератора проверяют по току 2-х фазного к.з. на выводах отключённого от сети генератора: _.

Следует отметить, что продольная дифференциальная защита является быстродействующей защитой с абсолютной селективностью, так как работает без выдержки времени, а селективность её действия обеспечивается самой схемой защиты (защита действует только при к.з. внутри защищаемой зоны – в зоне между ТТ установленных на главных и нулевых выводах обмотки статора генератора).

Продольная дифференциальная защита является защитой с абсолютной селективностью, обладает необходимыми быстродействием и надёжностью; селективность действия обеспечивается её принципом действия основанном на сравнении величин и фаз токов по концам защищаемой зоны.

Высокая чувствительность защиты обеспечивается соответствующим выбором трансформаторов тока, применением дифференциальных реле с БНТ, а также диф. реле с торможением.

Недостатком продольной диф. защиты с БНТ является наличие некоторого замедления её действия при к.з. в зоне (до 0,06-0,1 с).

24. Поперечная дифференциальная защита генераторов (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Продольная диф. защита генератора не действует при витковых замыканиях в обмотке статора, так как токи, проходящие со стороны главных и нулевых выводов в этом случае одинаковы.

Защиту от витковых замыканий на генераторах, не имеющих параллельных ветвей в обмотке статора вследствие отсутствия простых способов её исполнения, не предусматривают.

На мощных генераторах, имеющих две и более параллельных ветви в фазах обмотки статора, применяют специальную поперечную дифференциальную защиту, предназначенную для защиты генератора от витковых замыканий в обмотке статора. При этом со стороны нулевых выводов каждая параллельная ветвь должна иметь изолированный вывод.

Принцип действия поперечной диф. защиты основан на сравнении геометрической суммы токов в параллельных ветвях фаз обмотки статора генератора.

Рис. 7-5. Поперечная односистемная диф. защита генератора

а) схема подключения б) схема токораспределения

В нормальном режиме и при внешнем к.з. геометрическая сумма токов каждой группы

параллельных ветвей фаз, соединённых в звезду, равна нулю и в реле защиты попадает только ток

небаланса.

При витковом замыкании в одной из ветвей (например, фазы А на рис. 7-5) сопротивление

этой ветви и э.д.с. E_1,A уменьшаются. В контуре, образованном обеими ветвями фазы А,

возникает разность э.д.с. ΔE =E _2,А-E _1,А и ток

Ток виткового к.з. протекает по трансформатору тока поперечной защиты и вызывает её срабатывание. Величина Iк зависит от количества замкнувшихся витков, поскольку ΔЕ прямо

пропорционально их числу.

Поперечная диф. защита будет работать также при замыканиях между витками ветвей разных

фаз и может не сработать при замыканиях между витками разных ветвей одной фазы при

одинаковом числе замкнувшихся витков т.к. в этом случае ΔE =E _2,А-E _1,А=0.

Ток срабатывания токового реле поперечной диф. защиты отстраивается от максимального тока небаланса, который может проходить в реле при внешних к.з. и принимается равным:

I_с.з.= (0,20,3) I_ном

В качестве токовых реле в поперечной диф. защите применяются реле типа РТ-40/Ф.

К недостаткам рассматриваемой схемы поперечной диф. защиты следует отнести наличие «мёртвой зоны» при малом числе замкнувшихся витков.

К достоинствам защиты относятся простота исполнения, а также достаточно высокая чувствительность.

Поперечная дифференциальная защита является основной защитой от витковых замыканий в обмотке статора генератора имеющего параллельные ветви в фазах статорной обмотки.

Принцип действия поперечной дифференциальной защиты основан на сравнении геометрической суммы токов в параллельных ветвях фаз обмотки статора генератора.

Односистемная поперечная диф. защита, нашедшая наибольшее применение на генераторах, имеющих параллельные ветви в фазах обмотки статора, отличается простотой и обладает необходимым быстродействием и чувствительностью.

К недостаткам односистемной поперечной диф. защиты относятся наличие «мёртвой зоны» при малом числе замкнувшихся витков об мотки статора, а также невозможность её использования в качестве защиты от витковых замыканий на генераторах, не имеющих параллельных ветвей.

25. Защита от однофазных замыканий на землю в цепи статора генератора (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Для уменьшения тока замыкания на землю в сети генераторного напряжения, что существенно повышает надёжность эксплуатации, генераторы напряжением 2 кВ и выше, как правило, работают с изолированной нулевой точкой (нейтралью) или с нейтралью заземлённой через дугогасящий реактор. Поэтому для выполнения защиты от однофазного замыкания на землю в обмотках статора генератора используются те же принципы, что и для защит от замыканий на землю линий электропередач.

При замыкании на землю фазы статора генератора ток в месте повреждения пропорционален числу замкнувшихся витков и величине ёмкости присоединённой сети.

Для защиты генераторов от замыканий на землю в обмотке статора работающих непосредственно на шины применяют токовую защиту нулевой последовательности.

Применяют два способа выполнения токовой защиты нулевой последовательности: с помощью трёхтрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности и с помощью однотрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности.

Однако, защита, выполненная с помощью 3-х трансформаторного фильтра нулевой последовательности (рис. 7-7, а) имеет недостаточную чувствительность, так как срабатывает при токах замыкания на землю порядка 15-20А (из-за необходимости отстройки защиты от токов небаланса, определяемых погрешностями трансформаторов тока).

Защита, выполненная с помощью однотрансформаторного фильтра токов нулевой последовательности с подмагничиванием (ТНП или ТШНП), получается более чувствительной (так как имеет ток срабатывания порядка 3‑5А) (рис. 7-7, б).

Рис. 7-7. Защита от замыканий на землю

а) с обычными ТТ, б) с ТНП

Схема защиты от однофазных замыканий на землю для генератора, имеющего кабельные выводы, приведена на рис. 7-10, а. Токовое реле Т1 типа РТ-40 подключается ко вторичной обмотке ТНП. Для предотвращения неправильного действия защиты от кратковременных токов небаланса вызванных переходными процессами при замыканиях на землю во внешней сети в схемы защиты введено реле времени, создающее выдержку времени порядка 0,5-2 с. Напряжение для подмагничивания ТНП (~100В) подаётся от трансформатора напряжения установленного на главных выводах генератора.

Рис. 7-10. Схема защиты обмотки статора генератора от замыканий на землю

В схеме защиты имеется вольтметр с кнопкой, с помощью которого можно определить примерное количество замкнувшихся витков в обмотке статора. При этом, чем дальше от нулевой точки обмотки статора генератора тем больше будут показания вольтметра. По вольтметру можно также обнаружить замыкание на землю в обмотке статора генератора, до включения генератора в сеть, когда защита с ТНП работать не будет. Токовое реле Т2 предназначено для действия защиты при двойных замыканиях на землю, когда одно замыкание произошло во внешней сети генераторного напряжения, а другое в обмотке статора генератора. В этом случае защита действует на отключение генератора без выдержки времени на выходное промежуточное реле через указательное реле.

В схеме защиты проведённой на рис. 7-10, б предусмотрен автоматический вывод защиты из действия при внешних к.з., которые могут сопровождаться большими токами небаланса в ТНП, при помощи промежуточного реле П размыкающего цепь отключения от чувствительного токового реле Т1 (при срабатывании максимальной токовой защиты генератора от междуфазных к.з.).

Ток срабатывания первой ступени защиты (чувствительного реле) должен удовлетворять следующим условиям:

• быть не выше 5А, чтобы обеспечить отключение генератора при токах замыкания:

I_с.з.5А

• быть больше тока небаланса, проходящего через ТНП при внешнем 2-х фазном к.з.:

где:
Iс.Г.	-	собственный ёмкостный ток генератора
КВ	-	коэффициент возврата равный для реле РТ-40 – 0,85
Iнб	-	ток небаланса ТНП отнесённый к первичной цепи (при расчетном токе генератора в момент отключения 2-х фазного внешнего к.з., когда с защиты снимается блокировка на промежуточном реле П)
Кн1	-	коэффициент надёжности (коэффициент отстройки), учитывающий броски ёмкостного тока генератора при внешнем замыкании на землю
(Кн1=23			при наличии выдержки времени защиты 0,51с)
Кн2	-	коэффициент надёжности (отстройки) учитывающий неточность расчета Iнб
(Кн2=1,31,5).

Ток срабатывания второй (грубой) ступени защиты должен превышать максимальное значение броска тока в реле при внешних повреждениях (отстраивается от бросков ёмкостного тока при внешнем к.з. с учётом тока небаланса ТНП:

I_с.з.К_н1I_с.Г.+К_н2I_{нб. макс}

где:
Iнб.макс	-	максимальный ток небаланса при внешних к.з.

Следует отметить, что токовая защита нулевой последовательности генератора имеет мёртвую зону вблизи нейтрали генератора, так как ток замыкания пропорционален доле замкнувшихся витков обмотки статора.

26. МТЗ генератора от перегрузок. МТЗ генератора от внешних к.з. с блокировкой по напряжению (назначение, область применения, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Защиты генератора от внешних междуфазных к.з. предназначены для отключения от сети генератора в случае отказа защит и выключателей смежных присоединений, а также для резервирования основных защит генератора при внутренних междуфазных к.з. в обмотке статора с действием на отключение и развозбуждение генератора.

Генераторы оснащаются также защитами от перегрузок (симметричных и несимметричных), которые, как правило, действуют на сигнал на электростанциях с постоянным дежурным персоналом и на разгрузку или отключение генератора при отсутствии дежурного персонала.

При внешних междуфазных к.з. защита генератора должна по возможности быстро действовать на отключение. Обычная МТЗ с реле включёнными на полные токи фаз, как правило, не может быть использована в качестве защиты генератора от внешних к.з. из-за недостаточной её чувствительности и необходимости отстройки её времени срабатывания от времени действия токовых защит смежных элементов сети. Поэтому в качестве защит генераторов от внешних к.з. применяются: максимальные токовые защиты с дополнительными пусковыми органами напряжения, токовые защиты обратной последовательности от несимметричных к.з. и дистанционные защиты.

Для генераторов малой и средней мощности с косвенным охлаждением в качестве защит от перегрузок применяют простые токовые защиты, реагирующие на увеличение фазного тока (сигнализация о симметричных перегрузках) и появление тока обратной последовательности (сигнализация о несимметричных перегрузках).

Для мощных генераторов, имеющих непосредственное охлаждение проводников обмоток статора, применяются защиты от перегрузок токами обратной последовательности действующими на разгрузку или отключение генератора с выдержками времени соответствующими перегрузочной способности генератора.

Максимальная токовая защита от внешних к.з. с блокировкой (пуском) по напряжению

Реле тока защиты РТЗ-РТ5 подключаются к трансформаторам тока расположенным на нулевых выводах обмотки статора генератора. При таком подключении защита не только реагирует на внешние к.з., но и резервирует продольную диф. защиту генератора, действуя от тока генератора при повреждении в нём.

Защита имеет комбинированный пуск по напряжению состояний из 2-х реле напряжения подключаемых к генераторному трансформатору напряжения. Реле минимального напряжения РН6 питается междуфазным напряжением через нормально замкнутые контакты реле максимального напряжения РН7, которое включено через фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП) на напряжение U₂.

Реле минимального напряжения РН6 замыкает свои контакты (как показано на рис. 7-11) при понижении напряжения в случаях, когда U_к<U_воз позволяя работать защите.

При несимметричных (2-х фазных) к.з. появляется напряжение обратной последовательности и реле РН7 срабатывает, снимая напряжение с реле РН6. Последнее замыкает свои контакты и разрешает токовым реле действовать на отключение через промежуточное реле РП11 и реле времени РВ9.

При симметричных (3-х фазных) к.з. реле РН7 размыкает свои контакты кратковременно за счёт кратковременного появления несимметрии в начальной стадии к.з. Реле РН6 при этом успевает замкнуть свои контакты.

Поведение реле РН6 будет зависить от уровня остаточного напряжения U_к на его зажимах. Если U_к<U_воз., то контакты реле РН6 останутся замкнутыми и защита сработает.

Очевидно, что чувствительность блокировки при симметричных к.з. определяется не U_ср, а U_воз реле РН6.

При симметричных перегрузках, когда отсутствует обратная последовательность реле РН7 и РН6 не действуют, запрещая работать защите.

Использование 3-х реле тока РТ3-РТ5 позволяет повысить чувствительность защиты к несимметричным к.з. за трансформаторами со схемой соединения /Y, Y/.

Ток срабатывания токовых реле отстраивается от номинального тока генератора:

где:
Кн=1,11,2

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения отстраивается от минимального эксплуатационного напряжения:

где:
Кн=1,11,2

Выдержка времени защиты принимается на ступень селективности больше времени действия защит смежных присоединений (трансформаторов и линий), питающихся от генераторных шин:

где:
tприс	-	наибольшая выдержка времени защит смежных присоединений питающихся от генераторных шин.

Чувствительность защиты определяется по току:

где:
Iк.мин	-	минимальный ток 2-х фазного к.з. в конце защищаемой зоны и по напряжению для реле минимального напряжения:

где:
Uк.макс.	-	наибольшее остаточное напряжение при 2-х фазном к.з. в конце защищаемой зоны.

Для реле напряжения обратной последовательности:

где:
U2к.мин	-	наименьшее напряжение обратной последовательности при 2-х фазном к.з. в конце защищаемой зоны.

Максимальная токовая защита от перегрузок

Эта защита генераторов с косвенным охлаждением обмоток статора работает на сигнал с выдержкой времени, большей, чем у всех резервных защит генератора от к.з. и выполняется двумя реле тока, включаемыми соответственно на ток фазы (сигнализация о симметричных перегрузках токами прямой последовательности) и ток обратной последовательности через фильтр токов обратной последовательности ФТОП – (сигнализация о несимметричных перегрузках).

Ток срабатывания реле защиты от симметричных перегрузок выбирается по выражению:

где:
Кн=1,05

Ток срабатывания реле защиты от несимметричных перегрузок определяется по формуле:

(I_{нб.расч}+I_2.доп).

где:
Iнб.расч	-	ток небаланса обусловленный рабочим током генератора
I2.доп	-	длительно допустимый для генератора ток обратной последовательности.

Выдержка времени защиты от перегрузок, как правило, устанавливается больше выдержки времени МТЗ генератора. На электростанциях без постоянного дежурного персонала защита может выполняться с двумя выдержками времени: с меньшей на снижение тока возбуждения для уменьшения тока статора генератора и с большей – на отключение генератора от сети.

27. Токовая защита обратной последовательности со ступенчатой характеристикой и приставкой от симметричных к.з. и перегрузок (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Как уже отмечалось, токи обратной последовательности представляют большую опасность для генераторов.

Рассмотренная ранее максимальная токовая защита с пуском по напряжению из-за недостаточной чувствительности токовых реле включенных на фазные токи может не сработать при опасных для генератора токах. Поэтому на генераторах мощностью выше 30 МВт для защиты от внешних несимметричных к.з. применяется токовая защита обратной последовательности.

Схема и характеристика 4-х ступенчатой защиты обратной последовательности с приставкой от симметричных к.з., применяемая на генераторах средней мощности 50-150 МВт, работающих на шины генераторного напряжения, показана на рис. 7-13.

Рис. 7-13. Токовая защита обратной последовательности со ступенчатой характеристикой и приставкой от симметричных к.з. и перегрузок.

Три ступени защиты действуют на отключение, четвертая ступень – на сигнал. Каждая ступень имеет своё пусковое токовое реле (Т₁, Т₂, Т₃, Т₄) и своё реле времени (В₁, В₂, В₃, В₄). Токовые реле подключены к трансформаторам тока в нейтрали генератора через два фильтра токов обратной последовательности типа РТФ-2 и реагируют на ток I₂.

Первая ступень (Т₁ и В₁) предназначена для отключения к.з. на выводах генератора, вторая (Т₂ и В₂) – для резервирования отключения несимметричных к.з. в сети, третья (Т₃, В₃) является защитой ротора генератора от несимметричных режимов с токами I₂, при которых ликвидация несимметрии вручную невозможна так как допустимое время мало (t_доп < 23 минут). Четвертая ступень защиты (Т₄, В₄) действует на сигнал для предупреждения дежурного персонала о появлении несимметрии I₂>I_{2 длит. доп.}.

В схеме имеется токовое реле Т_n, предназначенное для сигнализации о появлении симметричных перегрузок, а также однофазная максимальная токовая защита с пуском минимального напряжения (Т_ф, Н, В), действующая при симметричных к.з. Токовое реле Т_ф, включённое на ток одной из фаз (обычно на ток фазы В) и реле минимального напряжения Н, включённое на одно из междуфазных напряжений (обычно на напряжение а-с) надёжно реагируют на 3-х фазные к.з., поскольку изменение тока и напряжения во всех фазах в этом случае имеет одинаковый характер. Поведение и чувствительность защиты от симметричных к.з. во всём аналогичны МТЗ с пуском по напряжению рассмотренной ранее.

В некоторых случаях для блокировки защиты от замыканий на землю генератора устанавливается дополнительное (пятое) пусковое реле, которое подключается к одному из фильтров ФТОП (на рис. 7-13 не показано).

Ток срабатывания первой ступени должен обеспечивать надёжное действие защиты при 2-х фазных к.з. на выводах генератора. В этом случае наибольший ток обратной последовательности в генераторе будет в режиме работы генератора изолированного от сети. Величина этого тока в относительных единицах будет равна:

где:
	-	сверхпереходное реактивное сопротивление генератора
Х2	-	сопротивление обратной последовательности

С учётом этого:

где:
Кч=1,2	-	коэффициент чувствительности.

Выдержка времени первой ступени не должна превышать допустимого времени нагрева ротора при к.з. на выводах генератора:

Ток срабатывания второй ступени выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая чувствительность защиты при несимметричном к.з. за резервируемым элементом (например, за повышающим трансформатором) и сохранялась селективность с защитами смежных элементов, а также, чтобы удовлетворялись требования защиты генератора от тока обратной последовательности.

Ток срабатывания второй ступени выбирается из условия достаточной чувствительности для резервирования смежных присоединений, отходящих от шин генераторного напряжения:

где:
I2К	-	ток обратной последовательности при к.з. в конце зоны

Выдержка времени второй ступени должна равняться t_доп при I_2*=I_с.з.1, т.е.:

Ток срабатывания третьей ступени выбирают исходя из её назначения – отключать генератор при токах I₂ с t_доп23 мин.

Поэтому:

Выдержка времени третьей ступени выбирается по t_доп при I_2*=I_с.з.2 (точка 2)

Четвертая ступень должна действовать на сигнал при токе I₂>I_{2 длит.доп.} поэтому

I_с.з.4 = (0,050,1) I_ном.г

Выдержка времени четвёртой ступени должна быть больше времени отключения к.з. в сети и обычно принимается равной:

t_с.з.4 = 59с

Ступенчатая токовая защита обратной последовательности позволяет обеспечивать необходимые требования к защите от перегрузки и требования по чувствительности и селективности при внешних к.з.

К недостаткам защиты можно отнести недостаточное использование перегрузочной возможности генератора и неинтегральность независимой от тока характеристики защиты, а также большое количество релейной аппаратуры для реализации ступенчатой характеристики защиты.

28. Токовая защита обратной последовательности от несимметричных к.з. и перегрузок с интегрально-зависимой характеристикой (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

На генераторах большой мощности (160 МВт и более) с непосредственным охлаждением проводников обмоток, которые значительно более чувствительны к перегрузкам токами обратной последовательности защита от несимметричных к.з. и перегрузок выполняется с помощью полупроводникового фильтр-реле типа РТФ-6м имеющего интегрально-зависимую характеристику выдержки времени.

Фильтр-реле РТФ-6м содержит следующие элементы: фильтр тока обратной последовательности (ФТОП); сигнальный орган; пусковой орган; орган с интегрально-зависимой характеристикой выдержки времени (интегральный орган) и два органа не имеющие выдержки времени (отсечки). Защита получает питание постоянным током через общий для всех органов блок питания.

Структурная схема фильтр-реле РТФ-6м приведена на рис. 7-14.

Рис. 7-14. Структурная схема РТФ-6м

ФТОП – фильтр токов обратной последовательности;

ВПУ – входное преобразовательное устройство;

С – сигнальный орган;

П – пусковой орган;

В – интегральный орган;

БП – блок питания.

Фильтр тока обратной последовательности предназначен для выявления тока обратной последовательности появляющегося в токе статора генератора при несимметричных к.з. и перегрузках. ФТОП подключается к трансформаторам тока установленным со стороны нулевых выводов обмотки статора.

Сигнальный орган срабатывает без выдержки времени и предназначен для выдачи предупредительного сигнала дежурному персоналу при появлении тока обратной последовательности, превышающего длительно допустимую величину. Ток срабатывания сигнального органа: I_2с.з.=0,05I_ном.г. Необходимая выдержка времени обычно создаётся с помощью реле времени не входящего в состав фильтр-реле РТФ-6м.

Пусковой орган срабатывает без выдержки времени и используется для подключения (ввода в действие) интегрального органа к ФТОП в случаях появления опасных для генератора значений тока обратной последовательности. Ток срабатывания пускового органа выбирается по условию обеспечения надёжного пуска интегрального органа при его максимальной выдержке времени, равной 600с, что примерно соответствует I_{2с.з.(П.О.)}=0,1I_ном.г.

Интегральный орган выполняется с действием на отключение с интегрально-зависимой выдержкой времени, соответствующей кривой t_доп=I(I_г) и настраивается на характеристику перегрузочной способности конкретного генератора.

Интегральный орган срабатывает с выдержкой времени

где:
I2*	-	ток обратной последовательности на входе ФТОП в относительных единицах при базовом токе равном Iном.г.

Отсечки используются в качестве резервных защит от несимметричных к.з. (более чувствительная отсечка I – для дальнего резервирования, а более грубая отсечка II – для ближнего резервирования). Отсечки в фильтр реле РТФ-6м срабатывают без выдержки времени, поэтому при необходимости отстройки их от времени действия защит смежных элементов используются отдельные реле времени.

Ток срабатывания и выдержка времени органа отсечки I предназначенного для резервирования защит смежных присоединений, выбирается, исходя из согласования с защитами этих присоединений. Выдержка времени отсечки I должна быть меньше времени срабатывания интегрального органа при том же токе.

Ток срабатывания органа отсечки II выбирается такой величины, чтобы при 2-х фазном к.з. на выводах генератора действие органа обеспечивалось с коэффициентом чувствительности К_ч2,0:

Время действия отсечки II обычно принимается равным t_с.з.II=0,5с.

29. Ненормальные режимы и повреждения обмотки ротора генератора. Защиты обмотки ротора генератора от замыканий на землю в одной точке (область применения, принцип действия).

Роторы генераторов находятся в тяжёлых механических условиях работы (из-за большой частоты вращения – до 3000 об/мин), поэтому на генераторах часто наблюдаются случаи повреждения изоляции обмотки возбуждения с замыканием на корпус, а также витковые замыкания. Кроме того, при неисправностях в системах управления возбуждениям генераторов возможны перегрузки обмоток ротора. Поэтому генераторы оснащаются защитами от замыканий на корпус (на землю) в обмотке ротора, а также защитами от перегрузки ротора.

Защита обмотки ротора от замыкания на землю в одной точке

На всех генераторах устанавливается вольтметровый контроль изоляции при помощи 2-х вольтметров, каждый из которых подключён к полюсам ротора. Если изоляция цепей возбуждения хорошая, показания вольтметров будут близки и равны по величине половине напряжения ротора генератора, т.е. U₍₊₎=U_(-)=0,5U_рот.

При снижении изоляции на одном из полюсов напряжения этого полюса относительно земли понижается, а напряжение другого полюса увеличивается на ту же величину.

Для того, чтобы точнее измерять величину сопротивления изоляции ротора относительно земли используют вольтметры с высоким внутренним сопротивлением.

Устройство контроля изоляции ротора с помощью вольтметров не является защитным устройством и используется дежурным персоналом для периодического (1 раз в смену) контроля (измерения) состояния изоляции цепей возбуждения – обмотки ротора и системы возбуждения.

Принцип действия большинства применяемых защит от замыкания на землю в одной точке цепи ротора основан на измерении тока между одним из полюсов ротора генератора и землёй, причём защиты на турбогенераторах выполняют действием на сигнал, а на гидрогенераторах – на отключение. Предпочтение отдаётся схемам с использованием вспомогательного источника переменного тока низкой частоты, который подключается к цепи ротора через конденсатор.

Принцип выполнения защиты от замыканий на землю и структурная схема защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения приведены на рис. 7-16.

Защита включена на делитель частоты ДЧ2, являющийся источником переменного напряжения частотой 25Гц. Делитель через трансформатор ТН1 получает питание от собственных нужд электростанции, чтобы защита работала также и при остановке генератора. Один зажим ДЧ2 подключается через щётку к валу генератора (к «земле»), второй – через разделительный конденсатор С3, дроссель ДЧ, резистор R5 и первичную обмотку ТТ6 – к цепи возбуждения.

Рис. 7-16. Принцип выполнения и структурная схема защиты от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения с наложенным переменным напряжением.

Измерительным органом защиты является реле мощности РМ7, к которому U_р и I_р подаются соответственно через ДЧ2 и ТТ6. Конденсатор С3 с дросселем ДЧ образуют резонансный контур на частоте 25 Гц, а резистор R5 ограничивает ток, т.к. большие токи от защиты являются опасными при наличии длительного металлического замыкания в цепи возбуждения. Защита действует с выдержкой времени через реле РВ8. Выдержка времени необходима для предотвращения срабатывания защиты в условиях переходных процессов (синхронизации, гашении поля и др.)

30. Защиты обмотки ротора генератора от замыкания на корпус (землю) во второй точке (область применения, принцип действия).

Защита применяется только на турбогенераторах, остающихся в работе с одним местом замыкания в цепи возбуждения. Гидрогенераторы, являющиеся явнополюсными электрическими машинами не допускают работу с двумя замыканиями на землю в цепи возбуждения, поэтому уже при замыкании на землю в одной точке цепи возбуждения они должны отключаться от сети и развозбуждаться.

Принцип работы и схема защиты от замыканий на землю во второй точке цепи возбуждения приведены на рис. 7-18.

Рис. 7-18. Защита от замыканий на землю

а) принцип работы; б) схема.

Защита имеет делитель напряжения (потенциометр), к которому подключается реле тока. Потенциометр включается параллельно обмотке ротора, а второй зажим обмотки реле тока соединяется через специальную щётку с заземлённым валом ротора. При этом получается схема четырёхплечного моста образуемого частями сопротивлений и обмотки возбуждения (до точки К₁) и и потенциометра (до движка), с реле тока в его диагонали. При установке движкапотенциометра (контролируемого вольтметром) в положение равновесия ток в реле равен нулю.

При возникновении второго замыкания на землю (К₂) часть обмотки возбуждения закорачивается, сопротивление плеча уменьшается, равновесие моста нарушается, в реле появляется ток и защита срабатывает.

Для предотвращения ложного срабатывания реле под воздействием переменного тока, который наводится в обмотке ротора из-за неравномерности воздушного зазора генератора последовательно с катушкой токового реле включается индуктивность, а параллельно обмотке реле включается конденсатор.

Защита имеет мёртвую зону и её невозможно использовать при возникновении первого замыкания, например, в цепи возбудителя, так как она может ложно срабатывать при изменении сопротивления потенциометра.

Защита будет действовать и при витковых замыканиях в обмотке ротора, так как в этом случае витковое замыкание будет происходить через корпус ротора. Поэтому на генераторах, как правило, отдельная защита от витковых замыканий в обмотке ротора не предусматривается.

31. Защиты ротора генератора от перегрузки с интегрально-зависимой и независимой характеристикой выдержки времени (область применения, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Мощные генераторы с непосредственным охлаждением проводников обмоток статора и ротора имеют меньшую перегрузочную способность чем генераторы малой мощности с косвенным охлаждением (при I_рот>I_{рот.ном} тепловая характеристика мощных генераторов t_доп=f (I_рот) ниже, чем у генераторов малой мощности).Допустимое время перегрузки уменьшается и следовательно, дежурный персонал не успевает принять меры по ликвидации перегрузки или отключению генератора от сети. Поэтому на мощных генераторах для предупреждения повреждения изоляции обмотки ротора от перегрева предусматривается защита ротора от перегрузки, действующая на отключение и развозбуждение генератора.

Перегрузка ротора возникает при работе устройств форсировки возбуждения или регулятора возбуждения при внешних к.з. Максимальное значение перегрузки определяется кратностью тока форсировки возбуждения (максимальное значение тока форсировки обычно принимается равным 2I_{рот.ном.}). Продолжительная форсировка, опасная для ротора возникает при недостатке реактивной мощности генераторов для восстановления нормального напряжения в сети, а также при неисправностях регулятора возбуждения вызывающих увеличение тока в роторе.

Наибольшее распространение получила токовая защита ротора от перегрузки типа РЗР-1 с интегральной зависимой характеристикой t_з=f (I_рот), соответствующей перегрузочной характеристики ротора, которая приближённо описывается уравнением:

где:
В	-	постоянная величина
n	-	величина постоянная для определенного диапазона I*рот.

Структурная схема защиты ротора от перегрузки типа РЗР-1 приведена на рис. 7-19.

Рис. 7-19. Структурная схема защиты ротора от перегрузки типа РЗР-1.

Защита состоит из: сигнального органа 2, срабатывающего на сигнал при увеличении тока ротора I_рот>I_{рот.ном} и интегрального органа 4 – действующего с первой ступенью по времени на развозбуждение генератора и со второй – на отключение от сети.

В защите имеется пусковое реле 3, разрешающее действовать интегральному органу при увеличении тока ротора до недопустимых значений.

Защита подключается к трансформаторам тока постоянного тока типа И-514, который уменьшает ток ротора до значения соответствующего параметрам защиты. Ток I=I_рот (от трансформатора постоянного тока 1) поступает по двум направлениям: по одному на сигнальный орган 2 и пусковой орган – 3, по второму – в интегральный орган 4.

Для питания логической части защиты РЗР-1, выполненной на полупроводниковой элементной базе, служит блок питания 5.

Защита с независимой выдержкой времени. До окончательной разработки и серийного выпуска зависимого реле применяется упрощенная, менее совершенная схема защиты с неза-

висимой характеристикой, реагирующей на напряжение Uрот на зажимах ротора. Это напряжение пропорционально Iрот, так как Uрот = Iрот*Rрот, где Rрот — сопротивление обмотки ротора.

Схема подобной защиты показана на рис. 15-39. Пусковое реле напряжения РН питается от делителя напряжения П, включенного параллельно обмотке ротора Р, поэтому напряжение на

зажимах реле UР ≡ Uрот и Iрот.

Защита выполняется с двумя реле времени РВ₁ и РВ₂. Первое с tз1= tдоп посылает импульс на отключение генератора. Второе действует на снижение или снятие форсировки возбуждения с tз2 = tз1—∆t.

32. Повреждения и ненормальные режимы работы силовых трансформаторов (автотрансформаторов). Назначение и основные виды защит трансформаторов и автотрансформаторов. Продольная защита трансформаторов (автотрансформаторов) (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

В обмотках трансформаторов и автотрансформаторов могут возникать следующие виды повреждений: междуфазные к.з.; замыкания одной или 2-х фаз на землю; замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания между обмотками разных напряжений; утечка масла из бака. На вводах трансформаторов и автотрансформаторов, на ошиновке также могут возникать к.з. между фазами и на землю.

Кроме повреждений могут происходить нарушения нормальных режимов работы трансформаторов и автотрансформаторов, к которым относятся: сверхтоки внешних к.з. на смежных элементах сети; перегрузка, выделение из масла горючих газов; понижение уровня масла; повышение температуры, повышение напряжения.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) для трансформаторов (автотрансформаторов) должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений:

1. Междуфазных к.з. в обмотках и на выводах.

2. Однофазных к.з. в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью.

3. Витковых замыканий в обмотках.

4. Сверхтоков внешних к.з.

5. Перегрузки.

6. Понижения уровня масла.

7. Пробоя изоляции вводов (для трансформаторов с вводами 500 кВ).

8. Однофазных замыканий на землю на стороне сети с напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью.

Защиты трансформаторов и автотрансформаторов должны выполнять следующие функции:

• отключать трансформатор (автотрансформатор) от источников питания при его повреждении;

• отключать трансформатор (автотрансформатор) от поврежденной части сети при прохождении через него сверхтоков внешних к.з.;

• подавать сигнал дежурному персоналу при ненормальных режимах работы трансформатора (автотрансформатора) – при перегрузках, выделении из масла газа, понижении уровня масла, повышениях температуры.

В соответствии с назначением для защиты трансформаторов и автотрансформаторов при их повреждениях и ненормальных режимах работы применяются следующие виды защит:

1. Дифференциальная защита для защиты от повреждений обмоток, вводов и ошиновок.

2. Токовая отсечка мгновенного действия для защиты от повреждений ошиновок, вводов и части обмотки со стороны источника питания.

3. Газовая защита для защиты от повреждений внутри бака трансформатора (автотрансформатора), сопровождающихся выделением из масла газа.

4. Максимальная токовая защита для защиты от сверхтоков проходящих через трансформатор (автотрансформатор) при повреждениях как самого трансформатора, так и смежных элементов сети, связанных с ним.

5. Защита от замыканий на корпус.

6. Защита от перегрузки.

7. Защита от повышения напряжения.

Кроме того, в отдельных случаях, на трансформаторах и автотрансформаторах могут устанавливаться и другие виды защит.

Продольная дифференциальная защита является основной быстродействующей защитой мощных трансформаторов и автотрансформаторов от внутренних повреждений (от междуфазных к.з., замыканий на землю и от витковых замыканий).

При внешнем к. з. и н а г р у з к е токи I₁ и I_II с обоих концов трансформатора направлены в одну сторону, как показано на рис. 8-1, а, и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации трансформатора.

При к.з. в трансформаторе токи I₁ и I_II направлены встречно от шин к месту повреждения (рис. 8-1, а). В первом случае защита не должна действовать, во втором — должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока Т_I и Т_II, питающие схему, устанавливаются с обоих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем к. з. и

нагрузке вторичные токи I_1В и I_IIВ были направлены в контуре соединительных прово-

дов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле Р включается

параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соединении в

случае внешнего к. з. и при токе нагрузки и вторичные токи I_1В и I_IIВ замыкаются по обмотке реле Р и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен

разности вторичных токов.

Рис.8-1. Принцип действия диф. защиты трансформатора

а) внешее к.з., б) к.з. в трансформаторе

При к. з. в защищаемом трансформаторе вторичные токи I_I и и I_IB проходят по обмотке реле в одном направлении, как это следует из рис. 8-1, б, в результате этого ток в реле равен их сумме. Реле сработает и отключит.

Если схема токовых цепей диф. защиты выполнена правильно и трансформаторы тока имеют совпадающие характеристики, то при прохождении через защищаемый трансформатор сквозного тока внешнего к.з. или тока нагрузки ток в реле диф. защиты трансформатора будет отсутствовать:

I_p=I₁-I₂=0 т.к. I₁=I₂

Практически из-за несовпадения характеристик трансформаторов тока вторичные токи не равны I₁I₂ и в реле протекает ток небаланса: I_p=I₁-I₂=I_нб

Для того чтобы защита не действовала от тока небаланса, её ток срабатывания выбирается по условию: I_с.з.>I_нб.

При к.з. в трансформаторе или любом другом месте между трансформаторами тока (в зоне действия диф.защиты) направление тока I₂ изменится на противоположное и ток в реле станет равным: Ip=I1+I2>Iс.з.

Под влиянием этого тока защита срабатывает и производит отключение поврежденного трансформатора от источников питания.

33. Токи небаланса в дифференциальной защите трансформаторов (автотрансформаторов). Способы отстройки защиты от токов небаланса.

Таки небаланса в диф. защитах трансформаторов определяются большим числом факторов, чем в защитах генераторов и имеют повышенные значения.

Во-первых, трансформаторы тока диф. защиты трансформаторов устанавливаются на сторонах силового трансформатора, имеющих различные напряжения, поэтому они отличаются друг от друга по типам, нагрузкам и кратностям токов внешнего к.з. Всё это обуславливает наличие разных погрешностей у разных групп ТТ, что приводит к появлению повышенных токов небаланса в дифференциальной цепи защиты при внешних к.з.

Во-вторых, при регулировании коэффициента трансформации силового трансформатора соотношения между первичными, а следовательно, и между вторичными токами ТТ, установленных в разных плечах диф. защиты, изменяется, что также приводит к появлению тока небаланса в диф. защите .

Кроме того, диф. защиту трансформатора необходимо отстраивать от броска тока намагничивания который появляется при включении трансформатора под напряжение, а также при восстановлении напряжения на нём после отключения внешнего к.з.

В нормальном режиме (силовой трансформатор под напряжением) ток намагничивания имеет незначительную величину: I_нам=(0,020,03)I_т.ном.

В режимах включения силового трансформатора под напряжение и после отключения внешнего к.з. бросок тока намагничивания (значительно превышает номинальный ток трансформатора): I_бр.нам=(67)I_т.ном.

Резкое возрастание тока намагничивание объясняется насыщением магнитопровода силового трансформатора. Характер изменения тока намагничивания во времени показан на рис. 8-5,а.

Рис. 8-5. Характер изменения намагничивающего тока (а) и магнитные потоки в сердечнике трансформатора при включении его под напряжение (б).

При включении силового трансформатора под напряжение возникает переходной процесс, сопровождающийся появлением двух магнитных потоков (рис. 8-5, б), установившегося Ф_У и свободного затухающего апериодического Ф_СВ. Результирующий магнитный поток Ф_Т=Ф_У+Ф_СВ в момент включения Ф_ТО=0 и поэтому Ф_СВО=-Ф_УО. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпадают и результирующий поток достигает максимальной величины Ф_Т.мак.

Наибольшее значение Ф_{Т макс} и следовательно I_бр.нам имеет место при включении трансформатора в момент когда мгновенное значение напряжения на трансформаторе равно нулю. В этом случае магнитный поток Ф_Т в сердечнике трансформатора в начальный момент содержит большую апериодическую составляющую Ф_СВО и превышает при переходном процессе установившееся значение Ф_УСТ в 2 раза. Зависимость Ф=f (I_нам) нелинейна и поэтому ток намагничивания увеличивается по отношению к установившемуся значению в сотни раз. Бросок тока намагничивания, как правило, имеет большую апериодическую слагающую и значительный процент высших гармоник. В результате кривая I_нам может оказаться смещённой в одну сторону от оси времени.

В общем случае суммарный расчётный ток небаланса имеет несколько слагающих:

I_нб=I_нбТТ+I_нб.рег.+I_нб.выр.+I_нб.нам.

Ток I_нб.ТТ определяется наличием неодинаковых токов намагничивания у ТТ (наличием погрешностей ТТ) и вычисляется по формуле:

I_нб.ТТ=К_аК_однfI_к.макс.

где:
Ка	-	коэффициент апериодичности, для реле с БНТ принимаемый равным 1, а для реле тока РТ-40 – 0,5
Кодн	-	коэффициент однотипности ТТ равный 0,51. (При существенном различии погрешности ТТ Кодн достигает максимального значения Кодн=1)
f=0,1	-	погрешность ТТ, удовлетворяющая 10%-ной кратности
Iк.макс	-	наибольший ток сквозного к.з.

Ток I_нб.рег появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации N силового трансформатора и вычисляется по формуле:

I_нб.рег=_U_регI_к.макс

На трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (с РПН) возможны _U_рег 0,150,2. При регулировании на отключённом трансформаторе _U_рег 0,05.

Ток I_нб.выр=_f_вырI_вн определяется неточностью выравнивания величины вторичных токов ТТ плеч защиты.

Ток I_нб.нам представляет собой ток намагничивания защищаемого силового трансформатора, который может достигать значений намного больших I_ном трансформатора в виде броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение.

Полный ток небаланса будет равен:

I_нб=(К_аК_однf+_U_рег+_f_выр)I_к.макс+I_нам

Для предотвращения работы диф. защиты от токов небаланса ток срабатывания защиты выбирают из условия:

I_с.з.>I_нб.

Очевидно, что для повышения чувствительности диф. защиты необходимо принимать меры по снижению величины тока небаланса.

Для уменьшения составляющей I_нб.ТТ тока небаланса коэффициенты трансформации ТТ подбирают так, чтобы обеспечивались равные токи в плечах диф. защиты.

Кроме того, ТТ выбирают по кривым предельной кратности так, чтобы их погрешность не превышала 10%.

Для отстройки диф. защиты от токов небаланса при внешних к.з. и от бросков тока намагничивания применяют специальные диф. реле с БНТ (быстронасыщающийся трансформатор) (реле типа РНТ) и диф. реле с торможением (реле типа ДЗТ).

34. Газовая защита трансформаторов (автотрансформаторов) (область применения, назначение, принцип действия).

Практически все повреждения внутри кожуха (бака) трансформатора (к.з. между обмотками, витковые замыкания, «пожар» стали магнитопровода, неисправности переключателя РПН и др.) сопровождаются выделением газов в результате разложения масла или других изоляционных материалов под воздействием повышенного нагрева.

Образующиеся газы устремляются в расширитель, являющийся самой высокой частью трансформатора. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных внутренних повреждениях, бурно расширяющиеся газы вызывают движение масла в сторону расширителя.

Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение газов в сторону расширителя могут служить признаками повреждения трансформатора.

Защита, реагирующая на указанные признаки, получила название «газовой». Эта защита осуществляется с помощью так называемых газовых и струйных реле.

Газовые реле используются для защиты масляных трансформаторов, имеющих расширитель мощностью 1 МВА и более, от повреждений внутри бака, при которых происходит выделение газа, снижение уровня масла или возникновение потока масла из бака трансформатора в расширитель.

Газовое реле содержит два элемента:

сигнальный, реагирующий на слабые газообразования после накопления определённого объёма масла в реле и отключающий, срабатывающий при внутренних повреждениях трансформатора, сопровождаемых перетоком масла в сторону расширителя с определённой скоростью.

Принципиальная схема газовой защиты двухобмоточного трансформатора приведена на рис. 8-11.

Рис. 8-11. Принципиальная схема оперативных цепей газовой защиты

При значительных повреждениях внутри бака трансформатора движение масла может носить толчкообразный характер при этом контакты отключающего элемента реле замыкаются кратковременно. Поэтому, чтобы обеспечить продолжительность импульса, достаточную для отключения выключателей, в схеме защиты предусматривается самоудержание выходного промежуточного реле П₁ на время достаточное для отключения выключателей.

Газовое реле подаёт кратковременный ток в обмотку 1 промежуточного реле П₁. которое срабатывает и удерживается последовательно включенными обмотками 2 и 3 до отключения выключателей. Из рассмотренного принципа действия газового реле следует, что оно способно различать степень повреждения в трансформаторе. При малых по-вреждениях оно дает с и г н а л , при больших — производит отключение.

Срабатывание газовой защиты при незначительных повреждениях на сигнал позволяет дежурному персоналу перенести нагрузку на другой источник (разгрузить трансформатор) и после этого отключить повреждённый трансформатор от сети без ущерба для потребителей.

Поскольку газовая защита может сработать ложно, например, вследствие выхода воздуха из бака трансформатора после доливки свежего масла, в схеме защиты предусмотрена возможность перевода отключающего органа защиты на сигнал с помощью специального переключающего устройства (накладки) на время (2-3 суток) пока не прекратится выделение воздуха из бака.

Достоинствами газовой защиты являются: простота выполнения, высокая чувствительность и быстродействие; избирательное действие (на сигнал или отключение) в зависимости от размеров повреждения.

Газовая защита является единственной защитой трансформатора, реагирующей на утечку масла из бака.

Однако, газовая защита естественно не действует при повреждениях вне бака трансформатора (например, при к.з. на выводах), поэтому она не может быть единственной основной защитой трансформатора и, как правило, для мощных трансформаторов, она сочетается с токовой защитой.

Применение газовой защиты считается обязательным не только на трансформаторах, но и на маслонаполненных реакторах.

35. Защита трансформаторов (автотрансформаторов) от сверхтоков внешних к.з.(область применения, принцип действия, выбор параметров срабатывания). Защита трансформаторов (автотрансформаторов) от перегрузки. Токовая отсечка (область применения, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

Защиты трансформаторов и автотрансформаторов от сверхтоков внешних междуфазных и однофазных к.з. являются резервными защитами, предназначенными для отключения от источников питания как в случаях повреждения самих трансформаторов (автотрансформаторов) и отказах их основных защит, так и при повреждениях на смежных присоединениях и отказах их защит или выключателей.

В качестве защит трансформаторов (автотрансформаторов) от сверхтоков при междуфазных к.з. в зависимости от мощности трансформаторов и их назначения могут применяться:

• максимальная токовая защита;

• токовая защита обратной последовательности.

Для защиты от внешних 1 фазных к.з.:

• максимальная токовая защита нулевой последовательности.

Возможно применение в качестве защиты от междуфазных к.з. дистанционной защиты реагирующей на Z=f(_P).

Защиты от сверхтоков при междуфазных к.з. устанавливаются со стороны источника питания, а при нескольких источниках питания – со стороны более мощных (главных) источников.

Защиты от сверхтоков при однофазных к.з. устанавливаются со стороны обмоток, соединенных в схему звезды с заземлённой нулевой точкой.

На 2-х обмоточном повышающем трансформаторе (рис. 8-12,а) максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени от сверхтоков при междуфазных к.з. устанавливается со стороны шин генераторного выключателя и действует на отключение выключателей 1В и 2В с обеих сторон трансформатора, а максимальная токовая защита нулевой последовательности от однофазных к.з. – со стороны обмотки ВН трансформатора соединенной в звезду с заземленной нейтралью с действием на отключение выключателя этой обмотки.

На 3-х обмоточном повышающем трансформаторе при отсутствии питания со стороны обмотки СН (рис. 8-12,б) устанавливаются два комплекта защиты от сверхтоков при междуфазных к.з. (максимальные токовые защиты): один со стороны обмотки СН трансформатора с действием на отключение выключателя этой обмотки и второй – со стороны обмотки ВН, который с меньшей выдержкой времени действует на отключение выключателя обмотки ВН, а с большей выдержкой времени – на отключение всех выключателей трансформатора. Для защиты от однофазных к.з. со стороны обмотки ВН соединенной в звезду с заземленной нейтралью устанавливается максимальная токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение выключателя обмотки ВН.

Рис. 8-12. Защиты от сверхтоков на повышающих трансформаторах, двухобмоточном (а) и трехобмоточном (б).

Ток срабатывания: . к₃ — , коэффициент самозапуска

К о э ф ф и ц и е н т ч у в с т в и т е л ь н о с т и при к. з. в конце в т о р о г о у ч а с т к а находится по формуле k_ч = Iк.мин/Iс.з.

В ы д е р ж к а в р е м е н и выбирается из условий селективности на ступень выше

наибольшей выдержки времени tл защит присоединений, питающихся от трансформатора,

т. е t_Т=t_Л+Δt.

Защита трансформаторов от перегрузки.

Перегрузки трансформаторов (автотрансформаторов) обычно бывают симметричными. Поэтому защиты от перегрузок выполняются на одном реле тока, включаемом на ток одной фазы.

Силовые трансформаторы, независимо от системы охлаждения, допускают длительную симметричную перегрузку, поэтому защиты от перегрузок выполняются с выдержкой времени большей выдержек времени защит от к.з. с действием на сигнал, а на необслуживаемых подстанциях – на отключение.

Таблица 8-1

Кратность перегрузки	1,3	1,45	1,6	1,75	2	3
Допустимая длительность перегрузки, мин.	120	80	45	20	10	1,5

Для 2-х и 3-х обмоточных трансформаторов с односторонним питанием защита от перегрузки устанавливается с питающей стороны.

На трансформаторах, имеющих 2-х или 3-х стороннее питание, как правило, защиту от перегрузки устанавливают со всех сторон трансформатора. Как правило, защита действует через общее реле времени.

На автотрансформаторах с 3-х сторонним питанием защита от перегрузки устанавливается со стороны основного питания, а также со стороны обмотки ВН и для контроля за перегрузкой общей части обмотки со стороны обмотки подключённой к нулевой точке.

Примеры принципиальных схем токовых защит от перегрузок трансформаторов приведены на рис. 8-17.

Рис. 8-17. Принципиальные схемы токовой защиты от перегрузок трансформаторов и автотрансформаторов

а) 3-х обмоточный трансформатор с двух- и трехсторонним питанием;

б) автотрансформатор с питанием со стороны ВН;

в) автотрансформатор с перегруженной общей частью обмотки.

Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется по формуле:

где:
Кн=1,05	-	коэффициент надёжности отстройки
КВ	-	коэффициент возврата реле тока
Iном.Т	-	номинальный ток обмотки трансформатора (автотрансформатора), на которой установлена защита.

Токовая отсечка

На трансформаторах малой мощности (ниже 6,3 мВА), работающих одиночно, как правило, в качестве основной защиты вместо диф. защиты, устанавливается мгновенная токовая отсечка.

Токовая отсечка является самой простой быстродействующей защитой от повреждений в трансформаторе, однако имеет существенный недостаток – реагирует только на большие токи к.з. и охватывает своей зоной действия лишь часть трансформатора со стороны источника питания.

Принцип действия и однолинейная схема токовой отсечки трансформатора приведены на рис. 8-16.

Рис. 8-16. Принцип действия (а) и однолинейная схема токовой отсечки трансформатора.

Ток к. з. при повреждении на выводах трансформатора со стороны источника питания

(в точке К1 на рис. 8-16, а) обычно значительно больше, чем при повреждении за транс-

форматором (в точке К2). Такое соотношение токов и дает возможность использовать для за-

щиты трансформаторов токовую отсечку мгновенного действия (рис. 8-16, б).

Отсечка устанавливается с питающей стороны трансформатора и выполняется при

помощи мгновенных токовых реле 1 или электромагнитного элемента реле.

Токовая отсечка устанавливается со стороны источника питания и выполняется при помощи реле тока типа РТ‑40 или РТ‑80.

На трансформаторах, питающихся от сети с глухозаземлённой нейтралью, отсечка устанавливается на 3-х фазах, а при питании от сети с изолированной нейтралью – на 2-х фазах.

Токовая отсечка трансформатора выполняется аналогично токовой отсечки линий.

При к.з. на выводах трансформатора со стороны источника питания ток к.з. значительно больше, чем ток к.з. со стороны нагрузки, поэтому ток срабатывания токовой отсечки выбирают таким, чтобы она не работала при к.з. за трансформатором:

где:
	-	максимальный ток к.з. через трансформатор при к.з. за ним
Кн	-	коэффициент надёжности принимаемый равным 1,3-1,4 для реле тока РТ-40 и 1,5-1,6 для реле тока РТ-80.

Кроме того, токовая отсечка должна отстраиваться от броска тока намагничивания при включении трансформатора под напряжение

I_с.з > I_нам

Для выполнения этого условия ток срабатывания отсечки должен в 3-5 раз превышать номинальный ток трансформатора.

В зону действия отсечки входят: ошиновка, выводы и часть обмотки со стороны трансформатора, где она установлена.

Токовая отсечка является основной защитой от внутренних к.з. в трансформаторе и должна действовать на отключение выключателей со всех сторон трансформатора, имеющих источники питания.

Токовая отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой обеспечивает полноценную защиту для трансформаторов малой мощности.

Коэффициент чувствительности отсечки:

где:
	-	минимальный ток при к.з. на выводах трансформатора со стороны источника питания
Кч	-	должен быть не менее 2, т.к. отсечка в данном случае выполняет функции основной защиты.

36. Защита блоков генератор-трансформатор от сверхтоков внешних к.з и перегрузок.

На блоках генератор-трансформатор малой мощности (до 30 мВт) в качестве защиты от внешних к.з. (симметричных и несимметричных) применяется общая для генератора и трансформатора максимальная токовая защита с комбинированным пуском по напряжению действующая с выдержкой времени на отключение блока от сети. Эта защита отличается простотой исполнения и малой стоимостью. Генераторы маломощных блоков, как правило, имеют косвенное охлаждение и допускают по условиям нагрева значительные симметричные и несимметричные перегрузки. Поэтому защиты от перегрузок маломощных блоков выполняются с действием на сигнал.

На блоках средней (30-150 мВт) и большой (более 150 мВт) мощности в качестве защит от внешних к.з. и перегрузок применяют:

1. Токовую защиту обратной последовательности с интегрально-зависимой выдержкой времени на реле типа РТФ-6м – от несимметричных к.з. и перегрузок.

2. Максимальную токовую защиту с пуском по напряжению – от симметричных к.з.

3. Максимальную токовую защиту, выполненную с помощью одного реле тока – для сигнализации при симметричных перегрузках.

На рис. 9-3 приведена упрощённая принципиальная схема защиты обратной последовательности блока выполненная с помощью реле РТФ-6м.

Рис. 9-3. Схема защит от несимметричных к.з. и перегрузок и характеристика времени действия защиты.

Четыре органа РТФ-6м: сигнальный (реле Т1), интегральный (реле Т2) и отсечки I и II реагируют на ток обратной последовательности (реле Т3 и Т4) и подключаются к фильтру токов обратной последовательности Ф2. Интегральный орган работает при несимметричных перегрузках и внешних к.з. и действует с временем t₁ на отключение выключателей блока, а если несимметрия не исчезает – с временем t₂ на развозбуждение и останов блока в целом. Отсечка I предназначена для работы при внешних для блока несимметричных к.з. в сети ВН и действует на отключение выключателей блока. Отсечка II предназначена для резервирования основных защит блока при несимметричных к.з. на генераторе и трансформаторе. Зона действия отсечки II ограничивается реле напряжения U₀, включенного на напряжение нулевой последовательности 3U₀. При 2-х фазных к.з. на стороне генератора работают реле Т4 и Н₀ и защита действует на отключение и развозбуждение блока. При к.з. за трансформатором блока на стороне генераторного напряжения 3U₀=0 и реле Н₀ блокирует действия отсечки II.

Функции блочной защиты от внешних к.з. и перегрузок, как правило, выполняют защиты, установленные на генераторе блока, поэтому токовые цепи защиты подключаются к ТТ со стороны нулевых выводов генератора.

Необходимость защит от внешних к.з. на стороне ВН блочного трансформатора, а также на отпаечных трансформаторах собственных нужд зависит от схемы блока и расположения выключателей в цепи блока.

37. Защита генераторов блоков от повышения напряжения.

На всех блоках с гидрогенераторами, а также на блоках с мощными турбогенераторами и трансформаторами устанавливается защита от повышения напряжения.

Заводы-изготовители допускают интенсивное использование стали магнитопроводов при изготовлении крупных генераторов и трансформаторов. При этом величина магнитной индукции достигает значений близких к насыщению стали магнитопроводов. Поэтому на мощных генераторах и трансформаторах повышение напряжения сверх номинального вызывает насыщение стали магнитопроводов и как следствие повышенный их нагрев.

Опасные повышения напряжения на генераторах и трансформаторах в блочных схемах возможны в режимах холостого хода и при внезапном отключении блока от сети (при неисправностях в системах возбуждения генераторов, при ошибочных действиях дежурных, а также в режимах сброса нагрузки на гидрогенераторах из-за увеличения оборотов агрегата и отказе в работе регулятора возбуждения).

Защита от повышения напряжения блоков мощностью 160 мВт и более (рис. 9-4) выполняется в виде 2-х ступенчатой защиты максимального напряжения с использованием 2-х реле напряжения (РН1 и РН2) типа РН-58/200, имеющих высокий коэффициент возврата (К_В0,95).

Рис. 9-4. Защита от повышения напряжения генератора блока генератор-трансформатор

а) – цепи тока и напряжения

б) – оперативные цепи

Первая ступень защиты с уставкой 1,2U_ном.Г не имеет выдержки времени и может действовать только в режиме холостого хода генератора (на развозбуждение генератора) или блока.

При работе блока на нагрузку 1 ступень защиты автоматически вводится из действия с помощью 3-х фазных реле тока типа РТ-40/Р, размыкающих свои контакты при появлении тока нагрузки. При переходе генератора или блока в режим холостого хода 1 ступень защиты вводится в действие с выдержкой времени порядка 3с, перекрывающей длительность кратковременного повышения напряжения на генераторе или блоке при его отключении от сети.

Вторая ступень защиты с уставкой 1,41,5 U_ном.Г предназначена для защиты генератора и трансформатора, работающего в сети и действует на отключение блока и развозбуждение генератора с небольшой выдержкой времени порядка 0,30,5с отстроенной от кратковременных повышений напряжения в сети ВН блока.

38. Защиты сборных шин. Продольная дифференциальная защита шин. Выбор параметров срабатывания дифференциальной защиты шин.

На сборных шинах распределительных устройств электростанций и подстанций могут возникать такие же повреждения, как и на линиях: однофазные и междуфазные к.з. – в сетях с заземлённой нейтралью; междуфазные к.з. и замыкания на землю – в сетях с изолированной нейтралью. Поэтому, на сборных шинах, как правило, устанавливаются специальные защиты шин предназначенные для отключения без выдержки времени повреждений, возникающих на шинах.

При отсутствии специальной защиты сборных шин повреждения на шинах будут отключаться с выдержкой времени резервными защитами линий, установленными на соседних подстанциях.

Так, например, при к.з. на шинах подстанции А (рис. 11-1,а) подействуют резервные защита на подстанции Б и отключат выключатель В-2, отделяя повреждённый от остальной части.

Замедление в отключении приведёт к увеличению размеров повреждения в месте к.з., а в кольцевых сетях может привести к нарушению устойчивости параллельной работы. Поэтому сборные шины распределительных устройств напряжением 110 кВ и выше в кольцевых сетях с многосторонним питанием, как правило, оснащаются специальными быстродействующими защитами сборных шин.

На тупиковых подстанциях защита шин распределительных устройств обычно не устанавливается, а повреждения, возникающие на шинах, отключаются резервными защитами линий на питающих подстанциях.

Рис. 11-1. Схема электрических соединений для пояснений назначения защиты шин.

Специальные защиты шин позволяют селективно отключать повреждённый участок и предотвращать излишние нарушения электроснабжения дополнительных подстанций. так, например, в случае к.з. на шинах подстанции В (в схеме на рис. 11-1, б) при срабатывании резервных защит и отключении выключателя В-4 одновременно с повреждённой подстанцией будет отключён и трансформатор Т, подключённый ответвлением к линии. При наличии на подстанции В специальной быстродействующей защиты шин рассматриваемое повреждение будет отключаться выключателем В-3 и питание трансформатора Т сохранится от подстанции Г.

Таким образом, специальные защиты сборных шин необходимо применять для ускорения отключения повреждений и повышения селективности.

В качестве защит шин могут использоваться: токовая отсечка, дистанционная защита, а также продольная дифференциальная защита.

В настоящее время в качестве быстродействующей и селективной защиты шин наибольшее распространение получила продольная дифференциальная защита.

Продольная дифференциальная защита шин

Продольная диф. защита шин основывается на сравнении величины и фазы токов присоединений подключенных к сборным шинам.

Для выполнения продольной диф. защиты шин на каждом присоединении устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, их вторичные обмотки соединяются между собой параллельно и к ним подключается токовое (дифференциальное) реле.

Принцип действия дифференциальной защиты шин показан на рис. 11‑2.

Рис. 11-2. Схемы поясняющие принцип действия дифференциальной защиты шин

а) токораспределение в цепях защиты при к.з. на шинах;

б) токораспределение в цепях защиты при внешнем к.з.

При к.з. на шинах (в зоне действия диф. защиты) в реле протекает суммарный ток, под действием которого реле срабатывает:

где:
nT	-	коэффициент трансформации трансформаторов тока
I1,I2, I3		-	токи в линиях (присоединениях)

При внешнем к.з. и в нормальном режиме по части присоединений токи направлены к шинам, по другой части – от шин, а суммарный ток равен нулю. Однако, в реальных условиях через реле будет протекать ток небаланса, вызываемый погрешностями трансформаторов тока. Поскольку токи нагрузки меньше токов к.з. величина тока небаланса в нормальном режиме значительно меньше, чем при внешнем к.з.

Поэтому ток срабатывания защиты должен выбираться больше максимального тока небаланса при внешнем к.з.: I_с.з.>I_{нб.макс.}

Ток, намагничивания трансформатора тока зависит от величины его вторичной э.д.с. Е₂, что характеризуется кривой намагничивания (рис. 11-3).

Рис. 11-3. Характеристика намагничивания трансформаторов тока.

Чем больше ток к.з., проходящий через трансформатор тока, тем больше будет Е₂, а следовательно, и ток I_нам. При внешнем к.з. наибольший ток к.з. будет проходить через трансформаторы тока повреждённого присоединения, поэтому токи намагничивания этих трансформаторов тока и, следовательно, их погрешности будут максимальными. По трансформаторам тока остальных присоединений будет проходить только часть этого тока и следовательно, их токи намагничивания будут меньше. Для уменьшения тока небаланса диф. защиты шин необходимо подбирать трансформаторы тока используемые в защите так, чтобы при внешних к.з. они работали в ненасыщенных (прямолинейных) частях характеристик намагничивания (применяют однотипные ТТ класса Р (Д); уменьшают значения вторичных токов ТТ за счёт увеличения коэффициента трансформации; уменьшают нагрузку ТТ увеличивая сечение и уменьшая длину соединительных проводов токовых цепей; выбор ТТ осуществляют по кривым предельной кратности токов при 10% погрешности).

Кроме того, для улучшения отстройки диф. защиты шин от токов небаланса при внешних к.з. применяют дифференциальные реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) типа РНТ, которые не пропускают в реле апериодическую составляющую тока небаланса.

Для исключения неправильной работы защиты шин при неисправностях токовых цепей (обрывах или шунтированиях фазы вторичной цепи ТТ любого присоединений) дифференциальные реле отстраивают также от тока нагрузки наиболее нагруженного присоединения. Поэтому:

I_с.з.>I_н.макс.

В некоторых схемах диф. защит шин используют устройства контроля за исправностью токовых цепей – в нулевом проводе диф. реле устанавливают чувствительное токовое реле, которое выводит из работы диф. защиту при обрыве или шунтировании любой фазы вторичной цепи защиты. Устройство контроля дополняется миллиамперметром для периодического контроля дежурным персоналом исправности токовых цепей диф. защиты шин.

Таким образом, ток срабатывания продольной дифференциальной защиты шин должен выбираться исходя из 2-х условий:

1. Отстройки от токов небаланса при внешних к.з.:

I_с.з.= К_нI_{нб.макс.}

2. Отстройки от максимального тока нагрузки наиболее загруженного присоединения:

I_с.з.= К_нI_н.макс.

где:
Кн	-	коэффициент надёжности, принимаемый равным 1,21,25

При использовании реле с БНТ (типа РНТ) ток небаланса определяется погрешностями только тех трансформаторов тока, по которым проходит суммарный ток к.з. При этом при максимальном значении тока к.з. не превышают 10%, то расчёт тока небаланса ведётся по формуле:

I_{нб.макс.}=0,1 I_к.макс.

где:
Iк.макс	-	максимальный ток внешнего к.з.

Окончательный ток срабатывания диф. защиты шин принимается равным большему значению из полученных расчётных значений по 1 и 2 условию выбора тока срабатывания защиты.

Чувствительность защиты шин, как обычно, характеризуется коэффициентом:

,

который должен быть больше 2, т.к. защита является основной и должна надёжно срабатывать при к.з. на защищаемых шинах при минимальном токе к.з.

39. Ток небаланса продольной дифференциальной защиты шин; снижение тока небаланса. Дифференциальная защита шин для РУ с одной рабочей и второй резервной системами шин (область применения, принцип действия).

При внешнем к.з. и в нормальном режиме по части присоединений токи направлены к шинам, по другой части – от шин, а суммарный ток равен нулю. Однако, в реальных условиях через реле будет протекать ток небаланса, вызываемый погрешностями трансформаторов тока. Поскольку токи нагрузки меньше токов к.з. величина тока небаланса в нормальном режиме значительно меньше, чем при внешнем к.з.

Поэтому ток срабатывания защиты должен выбираться больше максимального тока небаланса при внешнем к.з.: I_с.з.>I_{нб.макс.}

Ток, намагничивания трансформатора тока зависит от величины его вторичной э.д.с. Е₂, что характеризуется кривой намагничивания (рис. 11-3).

Рис. 11-3. Характеристика намагничивания трансформаторов тока.

Чем больше ток к.з., проходящий через трансформатор тока, тем больше будет Е₂, а следовательно, и ток I_нам. При внешнем к.з. наибольший ток к.з. будет проходить через трансформаторы тока повреждённого присоединения, поэтому токи намагничивания этих трансформаторов тока и, следовательно, их погрешности будут максимальными. По трансформаторам тока остальных присоединений будет проходить только часть этого тока и следовательно, их токи намагничивания будут меньше. Для уменьшения тока небаланса диф. защиты шин необходимо подбирать трансформаторы тока используемые в защите так, чтобы при внешних к.з. они работали в ненасыщенных (прямолинейных) частях характеристик намагничивания (применяют однотипные ТТ класса Р (Д); уменьшают значения вторичных токов ТТ за счёт увеличения коэффициента трансформации; уменьшают нагрузку ТТ увеличивая сечение и уменьшая длину соединительных проводов токовых цепей; выбор ТТ осуществляют по кривым предельной кратности токов при 10% погрешности).

Кроме того, для улучшения отстройки диф. защиты шин от токов небаланса при внешних к.з. применяют дифференциальные реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) типа РНТ, которые не пропускают в реле апериодическую составляющую тока небаланса.

Для исключения неправильной работы защиты шин при неисправностях токовых цепей (обрывах или шунтированиях фазы вторичной цепи ТТ любого присоединений) дифференциальные реле отстраивают также от тока нагрузки наиболее нагруженного присоединения. Поэтому:

I_с.з.>I_н.макс.

В некоторых схемах диф. защит шин используют устройства контроля за исправностью токовых цепей – в нулевом проводе диф. реле устанавливают чувствительное токовое реле, которое выводит из работы диф. защиту при обрыве или шунтировании любой фазы вторичной цепи защиты. Устройство контроля дополняется миллиамперметром для периодического контроля дежурным персоналом исправности токовых цепей диф. защиты шин.

Разновидности схем дифференциальной защиты шин

Распределительные устройства высокого напряжения электростанций и подстанций имеют различные по сложности схемы первичных электрических соединений. Дифференциальные защиты сборных шин для различных первичных схем также отличаются по степени сложности и по количеству релейной аппаратуры используемой для реализации защит.

Дифференциальная защита шин для распределительных устройств с одной рабочей и второй резервной системами шин

Для распределительных устройств напряжением 110-220 кВ нормально работающих на одной системе сборных шин (вторая система шин находится без напряжения) применяется наиболее простая схема продольной диф. защиты шин (рис. 11-4).

Рис. 11-4. Упрощённая принципиальная схема диф. защиты шин для РУ с одной рабочей и второй резервной системами шин.

В схему диф. защиты шин входят три токовых реле Т (типа РНТ) с быстро насыщающимися трансформаторами (БНТ), каждое из которых включено на разность токов ТТ одноимённых фаз всех присоединений.

Реле Т, срабатывая при к.з. в зоне защиты, действуют на промежуточные реле П5 и П7, первое из которых отключает шиносоединительный выключатель В-3, а второе – выключатели В‑1 и В‑2 остальных присоединений.

Трансформаторы тока шиносоединительного выключателя нормально не подключены к токовым цепям диф. защиты шин поэтому при подаче напряжения на резервную систему шин включением шиносоединительного выключателя В‑3 вторая система шин автоматически попадает в зону действия защиты. Для того, чтобы при опробовании резервной (второй) системы шин не отключалась рабочая (первая) система шин в схеме защиты предусмотрена блокировка с помощью размыкающего контакта промежуточного реле П-6 включаемого в цепь обмотки промежуточного реле П-7, действующего на отключение всех выключателей, кроме шиносоединительного В-3. При опробовании резервной системы шин включением шиносоединительного выключателя В-3 от ключа управления КУ промежуточное реле П-6 приходит в действие и выводит из действия промежуточное реле П-7 (с обмотки реле П-7 снимается минус нормально замкнутыми контактами реле П-6. В качестве реле П-6 обычно применяют промежуточное реле типа РП-252, имеющее замедление на возврат порядка 1-2 с.

Трансформаторы тока шиносоединительного выключателя подключаются к токовым цепям защиты шин только при переводе какого-либо присоединения на работу через шиносоединительный выключатель (при выводе в ремонт выключателя одного из присоединений подстанции).

В схеме предусмотрено устройство контроля исправности токовых цепей защиты при помощи токового реле Т₀ включённого в нулевой провод токовых цепей диф. защиты. В случае обрыва провода одной из фаз трансформатора тока любого из присоединений происходит срабатывание реле Т₀, которое подаёт плюс на обмотку реле времени В, последнее отработав установленную на нём выдержку времени воздействует на промежуточное реле П-4. Это реле самоудерживается, а размыкающими контактами снимает плюс с контактов диф. реле Т, выводя защиту шин из действия. Кроме того, для контроля за исправностью токовых цепей предусматривается миллиамперметр, установленный в нулевом проводе токовых цепей защиты. При помощи кнопки 11 дежурный персонал периодически (обычно один раз в смену, производит измерения тока небаланса в нулевом проводе защиты).

Трансформаторы тока присоединений, как правило, подключаются к токовым цепям диф. защиты шин через испытательные блоки (в схеме защиты не показаны), которые предназначены для отсоединения от защиты токовых цепей выключателей при их ремонтах.

40. Дифференциальная защита шин для подстанций, работающих на двух системах шин с фиксированным распределением присоединений (область применения, принцип действия).

На распредустройствах, работающих нормально на 2-х системах шин с двумя выключателями на присоединения (полуторная схема, схема «⁴/₃», схема с двумя выключателями на присоединение, схема многоугольника) для каждой системы шин устанавливается отдельный комплект диф. защиты шин. При к.з. на одной из систем шин срабатывает только одна из защит, которая отключает все выключатели, подключённые к повреждённой системе шин. Вторая система сборных шин остаётся в работе, так как второй комплект диф. защиты шин не сработает.

В распределительных устройствах с 2-мя системами шин с фиксированным распределением присоединений по системам сборных шин выполнение диф. защиты шин имеет свои особенности. В этой схеме первичных соединений каждое присоединение имеет один выключатель на присоединение и два разъединителя, с помощью которых можно подключать (фиксировать) каждое присоединение на определённую (свою) систему шин. В процессе эксплуатации фиксация может изменяться т.к. любое присоединение можно переключать на другую систему сборных шин. Для обеспечения правильной работы защиты шин дежурный персонал подстанции должен производить переключения не только в первичной схеме коммутации распредустройства, но и в токовых и оперативных цепях обеих комплектов диф. защиты шин. При этом на время переключений защита каждой системы шин будет неселективной так как может сработать неселективно при к.з. на другой системе сборных шин.

На рис. 11-5 представлена диф. защита шин распредустройства с двумя рабочими системами сборных шин с фиксированным распределением присоединений выполненная при помощи 3-х комплектов диф. реле: индивидуальных (Т1 и Т2) включённых на сумму токов присоединений своей системы шин для каждой системы сборных шин и общий комплект (Т3) включенный на сумму токов всех присоединений подстанции.

Рис. 11-5. Упрощённая принципиальная схема дифференциальной защиты шин с фиксированным распределением присоединений между шинами.

При фиксированном режиме работы присоединений все три комплекта защиты находятся в работе и при внешнем к.з. не срабатывают т.к. ток срабатывания защиты отстроен от этого режима.

При к.з. на одной из систем сборных шин срабатывает общий комплект и один из индивидуальных комплектов защиты шин при этом отключается только повреждённая система сборных шин.

При нарушении фиксации присоединений индивидуальные комплекты (Т1 и Т2 становятся неселективными и на время переключений их временно выводят из работы с помощью рубильника Р1, шунтирующего контакты диф. реле индивидуальных комплектов защиты. Функции защиты обеих систем шин в этом случае осуществляет общий комплект Т3, который подействует на отключение всех присоединений при к.з. на любой из систем сборных шин.

Для уменьшения нагрузки на трансформаторы тока и снижения токов небаланса при внешних к.з. в режимах с нарушением фиксации целесообразно объединять вторичные цепи трансформаторов тока всех присоединений с помощью рубильника Р2.

Замкнутое положение обоих рубильников сигнализируется, предупреждая дежурный персонал о нарушении фиксации защиты.

Обычно на шиносоединительном выключателе трансформаторы тока устанавливаются со стороны одной системы шин. При таком расположении трансформаторов тока в случае к.з. между ними и выключателем сработает один индивидуальный комплект диф. защиты (на схеме рис. 11-4 - индивидуальный комплект первой системы шин) однако, это не приведёт к ликвидации к.з., которое остается связанным со второй системой сборных шин. Второй индивидуальный комплект защиты при этом повреждении не сработает, так как повреждение находится вне зоны его действия. В этом случае ликвидация к.з. будет осуществляться специальным устройством резервирования отказа выключателей (УРОВ), которым обычно оснащаются подстанции и которое в данном случае с небольшой выдержкой времени порядка 0,3-0,5 с отключить все присоединения второй системы сборных шин.

41. Неполная дифференциальная защита шин (назначение, принцип действия, выбор параметров срабатывания).

На электростанциях и подстанциях с реактированными линиями и несколькими источниками питания применяется неполная дифференциальная защита по схеме, изображенной на рис. 19-10.

Дифференциальное токовое реле 1 включается на сумму токов всех источников питания, т. е. генератора Г, трансформатора Т и секционного выключателя В-1.

Трансформаторы тока линии Л, не имеющей источников питания, к защите не

подключаются, что упрощает схему и является преимуществом неполной схемы диффе-

ренциальной защиты по сравнению с полной. Коэффициенты трансформации трансформато-

ров тока, питающих неполную дифференциальную защиту, должны быть одинаковыми.

П р и к. з. на о т х о д я щ и х л и н и я х Л (например, в точке К1) токи к, з. и

нагрузки, поступающие в реле 1, не балансируются, так как токи, проходящие по лини-

ям, не попадают в защиту, поэтому в реле 1 проходит сумма токов к. з. ΣIк = ΣIк₁, притекающих к месту повреждения от источников питания, и суммарный ток нагрузки линий ΣIнагр.л. Для того чтобы защита в этом случае не действовала, ее ток срабатывания должен

удовлетворять условию Iс.з.=kн(I_К1МАКС+ Iнагр.л).

где kн — коэффициент надежности, равный 1,2—1,3.

При к.з. на соседней секции, в генераторе или за трансформатором (в точках К2, К3 и К4) токи к. з., притекающие и утекающие от шин, поступая в реле 7, уравновешиваются благодаря дифференциальному принципу соединения трансформаторов тока источников питания, поэтому защита не действует.

В нормальном режиме токи нагрузки, проходящие по отходящим линиям, не попадают в реле 1. В результате этого токи в реле не балансируются и в нем появляется остаточный ток, равный сумме нагрузочных токов линий. Однако защита не действует, поскольку суммарный ток нагрузки меньше тока I_к1 от которого отстроена защита.

При к. з. на защищаемых шинах (точка К5) в реле проходит сумма токов к. з., поступающих к месту повреждения от источников питания (ΣIк= Iк₅). Если Iк₅ > Iс.з защиты, то она приходит в действие, отключая все источники питания, связывающие шины с системой (т. е. трансформаторы и секционный выключатель генераторов).

По своему принципу работы защита не действует при внешних к. з. и поэтому может

выполняться без выдержки времени.

Рассмотренная схема по существу является токовой отсечкой, включенной на сумму

токов всех источников питания.

Достоинствами защиты являются ее быстрота действия и большая простота схемы по

сравнению с полной дифференциальной защитой.

42. УРОВ. Необходимость применения, принцип действия.

Статистика показывает, что при автоматической ликвидации повреждений отмечаются отдельные случаи отказа в действии релейной защиты или выключателей.

Несмотря на относительную редкость таких случаев, с ними нельзя не считаться, поскольку отказ защиты или выключателя означает неотключение короткого замыкания (КЗ) со всеми вытекающими из этого по­следствиями (длительное прохождение токов КЗ и снижение напряжения в сети).

Подобные отказы могут вызывать тяжелые аварии, сопровож­дающиеся массовым повреждением оборудования (не рассчитан­ного на длительное прохождение сверхтоков КЗ) и нарушением электроснабжения потребителей из-за понижения напряжения и нарушения устойчивости энергосистем. Наряду с принятием мер по повышению надежности и безотказности действия релейной защиты и выключателей особо важное значение приобретает резервирование отключения повреждений в случае отказа выключателя или действующей на него защиты.

Известны и применяются два способа резервирова­ния:

1) резервирование, осуществляемое защитами смежных уча­стков (дальнее резервирование);

2) резервирование, осуществляемое защитами и выключателями той подстанции, где произошел отказ (ближнее резервирование).

Первый способ резервирования предусматривает, что в зону действия защиты смежного участка должен входить не только свой, но и следующий за ним участок (рис. 20-1). Тогда при отказе защиты В или выключателя В следующего участка защита смежного участка А приходит в действие и отключает к. з. своим выключателем А.

Принципиальным преимуществом дальнего резервирования является его высокая надежность. Резервируемые (В) и резервирующие (А) защиты и выключатели находятся на разных подстанциях, и, следовательно, неисправности и неполадки, возникшие на резервируемой подстанции, не могут повлиять на работу резервирующих устройств.

Однако в сложных сетях с протяженными и сильно загруженными линиями при наличии параллельных ветвей и мощных подпиток (например, от источника Г2 на рис. 20-1) резервные защиты (А на рис. 20-1) оказываются недостаточно чувствительными даже и в тех

случаях, когда они выполняются посредством защиты нулевой последовательности и ди-

станционной защиты.

Этот недостаток дальнего резервирования ограничивает его применение и вынуждает искать другие пути, обеспечивающие большую чувствительность резервирования.

Второй способ резервирования получил значительное распространение на подстанциях, где дальнее резервирование оказывается нечувствительным или неселективным.

В случае отказа выключателя В3 его защита 3 по истечении времени, достаточного для

прекращения к. з., при нормальной работе выключателя и защиты поврежденного при-

соединения (В3 и 3) действует на отключение всех выключателей, через которые продолжа-

ется питание повреждения (В1 и В2 на рис. 20-2, а).

Очевидно, что УРОВ не может резервировать отказ самой защиты 3. Поэтому его применение предполагает необходимость второго (дублирующего) комплекта защиты для резервирования отказа основной защиты. Обе защиты должны выполняться независимыми друг от друга, так чтобы неисправности в цепях и устройствах одной не могли вызывать отказ второй. Для этой цели каждая защита включается на отдельные трансформаторы тока, оперативные цепи каждой защиты должны питаться от разных предохранителей и иметь разные выходные промежуточные реле.

Устройство резервирования отказа выключателя обладает высокой чувствительностью, так как пусковым органом его является основная защита присоединения, обычно имеющая достаточную чувствительность в пределах защищаемого элемента. Помимо того, УРОВ имеет определенные преимущества по сравнению с первым способом резервирования (дальним) в части селективности. Так, на подстанциях с двумя выключателями на присоединение, а также на подстанциях, выполненных по схеме многоугольника (рис. 20-2, б и в), при к. з. на линии и отказе выключателя В1 УРОВ позволяет сохранить в работе подстанцию и все линии, кроме поврежденной, в то время как дальнее резервирование с помощью защит А1 и А2 предыдущей линии приводит к отключению всей подстанции (рис. 20-2, б, в). Это преимущество имеет существенное значение на мощных станциях и узловых ответственных подстанциях особенно в тех случаях, когда через них передается большая транзитная мощность, а также при наличии на линиях ответвлений С, как показано на рис. 20-2, а.

Кроме резервирования отказа отключения выключателей, специальное УРОВ обеспечивает быстрое отключение повреждений на участке между выключателем и его трансформаторами тока, когда последние устанавливаются только с одной стороны выключателя (рис. 20-3). При к. з. на этом участке, например в точке К, защита Р1 поврежденного присоединения хотя и подействует на отключение выключателя В1 но не сможет отделить повреждения от шин подстанции В, защита же шин I и II этой подстанции не работает, так как к. з. в точке К находится вне зоны ее действия. Отключение к. з. производится в данном случае резервными защитами, установленными на противоположных концах присоединений, питающих подстанцию В. В тех случаях, когда выдержка времени этих защит значительна или их действие приводит к неселективному отключению всей подстанции, при схеме коммутации, допускающей отключение ее части (например, при схеме многоугольника или с двумя выключателями), для ликвидации указанных повреждений целесообразно применение указанного выше специального устройства резервирования (УРОВ).