КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр-1

4. используется для подключения защиты от междуфазных к.з. Коэффициент схемы КСХ = 1.

Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду

Вторичные обмотки трансформаторов тока, соединенные последовательно разноименными выводами, образуют треугольник. Реле, соединенные в звезду, подключаются к вершинам этого треугольника. Из токораспределения на рисунке 2.10, а) видно, что в каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

I B

I C

;

I B

I C

;

I B

I C

.

I I

nT nT

I II

nT nT

I III

nT nT

Рисунок 2.10 – Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду – а), векторная диаграмма токов – б).

При симметричной нагрузке и трехфазном к.з. в каждом реле проходит линейный ток, в 3

раз больший фазных токов и сдвинутый относительно последних по фазе на 30° (рисунок 2.10, б).

В таблице 3 приведены значения токов при других видах к.з. в предположении, что коэффициент трансформации трансформаторов тока равен единице (КТ = 1).

Таблица 3 – Значения токов при различных видах к.з.

	Вид короткого	Поврежден-	Токи в фазах	Токи в реле
	замыкания	ные фазы		I	II	III
		А, В	IB = - IA, I C= 0	2IA	IB	-IA
	Двухфазное	В, С	IC = - IB, IA = 0	-IB	2IB	IC
		С, А	IA = - IC, I B = 0	IA	-IC	2IC
		А	IA = IK, IB = IC = 0	IA	0	-IA
	Однофазное	В	IB = IK, IA = IC = 0	-IB	IB	0
		С	IC =IK, IB = IC = 0	0	-IC	IC

Таким образом, схема соединения трансформаторов тока в треугольник обладает следующими особенностями:

1.Токи в реле проходят при всех видах к.з., и, следовательно, защиты по такой схеме реагируют на все виды к.з.

2.Отношение тока в реле к фазному току зависит от вида к.з.

3.Токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольника трансформаторов тока, не имея пути для замыкания через обмотки реле, значит при к.з. на землю в реле попадают только токи прямой и обратной последовательностей, т. е. только часть тока к.з.

Врассматриваемой схеме ток в реле при 3-х фазных симметричных режимах в 3 раз больше тока в фазе, поэтому коэффициент схемы КСХ = 3 .

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

31

В соответствии с таблицей 3 коэффициент схемы при 2-х фазных к.з. для разных реле соответствует значениям КСХ = 2 или 1 , а при однофазных к.з. – КСХ = 1или 0.

Описанная выше схема применяется в основном для дифференциальных и дистанционных защит

Схема соединения двух ТТ и одного реле, включённого на разность токов двух фаз.

ТТ устанавливаются в 2-х фазах (обычно А и С), их вторичные обмотки соединяются разноимёнными зажимами, к которым параллельно подключается токовое реле. В некоторой литературе эту схему называют схемой неполного треугольника.

Рисунок 2.11 – Схема соединения двух ТТ и одного реле, включённого на разность токов двух фаз.

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме токов двух фаз, в которых установлены ТТ:

		, где				I А	,			I В	.
				а
I Р	I А	I C	I			nT		I в		nT

При симметричной нагрузке и в режиме 3-х фазного к.з. ток в реле I(3)Р = 3 IФ и К(3)СХ = 3 .

При 2-х фазных к.з. между фазами, в которых установлены ТТ (А и С) в реле будет протекать двойной ток, т.к. в этом случае IA = - IC, и следовательно I(2)Р = 2 IФ и К(2)СХ.АС = 2.

При замыканиях между фазами АВ или ВС в реле поступает только ток той фазы, в которой установлен ТТ (Iа или Iс), поэтому I(2)Р = IФ и К(2)СХ.АВ = 1, К(2)СХ.ВС = 1.

При 1 фазных к.з. на фазах, в которых установлены ТТ в реле появляется фазный ток, при этом К(1)СХ. = 1, а при 1ф. к.з. на фазе, в которой ТТ не устанавливается (В) ток в реле будет отсутствовать и К(1)СХ. = 0.

Анализ поведения схемы при различных повреждениях показывает, что такое соединение позволяет выполнить защиту от всех видов междуфазных замыканий. Схема отличается экономичностью, но в то же время обладает сравнительно невысокой надежностью – отказ реле ведет к отказу защиты.

Защита, выполненная по этой схеме, имеет разную чувствительность к различным видам междуфазных замыканий Наименьший ток Iр, и поэтому наихудшая чувствительность, будет при к.з. между двумя фазами (АВ и ВС), из которых одна фаза (В) не имеет трансформатора тока. Данная схема имеет худшую чувствительность при к.з. между АВ и ВС по сравнению со схемой полной и двухфазной звезды.

В случае однофазных к.з. на фазе, не имеющей трансформаторов тока, ток в реле равен нулю, поэтому схема с включением на разность токов двух фаз не может использоваться в качестве защиты от однофазных к.з.

Рассматриваемая схема может применяться только для защиты от междуфазных к.з. в тех случаях, когда она обеспечивает необходимую чувствительность при двухфазных к.з.

Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

32

ТТ устанавливаются во всех фазах, а одноимённые зажимы их вторичных обмоток соединяются параллельно и к ним подключается обмотка реле (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 – Схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трёх фаз:

I Р I а I в I с 3I 0 ;

Ток в реле появляется только в режимах 1ф. к.з. и 2-х фазных к.з. на землю, так как только в этих режимах появляется ток нулевой последовательности.

В режимах симметричной нагрузки и междуфазных к.з. без земли сумма первичных и вторичных токов трёх фаз равна нулю и реле не действует.

Однако, в этих режимах из-за погрешностей ТТ в реле появляется ток небаланса Iн.б., который необходимо учитывать при применении схемы.

Рассматриваемую схему часто называют трёхтрансформаторным фильтром токов I0 и применяют для защит от однофазных и 2-х фазных к.з. на землю.

В режимах 2-х фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / и / и при 1 фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / различные схемы соединений ТТ и реле работают не одинаково.

Распределение токов к.з. в фазах линии при перечисленных к.з. за трансформаторами характеризуется тем, что токи проходят во всех фазах, причем в одной из фаз ток в 2 раза больше, чем в двух других, и сдвинут по отношению к ним по фазе на 1800. На рисунке 2.13 в виде примера приведён случай 2-х фазного к.з. между фазами А и В за силовым

трансформатором / -11 с nТ = 1.

Рисунок 2.13 – Замыкание между двумя фазами за трансформатором с соединением обмоток

/ -11.

Защита по схеме полной звезды

одному из трёх реле.

Защита по схеме неполной звезды может оказаться в фазах с меньшими токами, поэтому она

будет иметь в 2 раза меньшую чувствительность.

Защита по схеме неполного треугольника вообще не будет работать, т.к. ток в ней окажется равным нулю.

Исходя из вышеизложенного, в распределительных сетях напряжением до 35 кВ широкое применение получили защиты от междуфазных к.з. со схемой неполной звезды.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

33

Некоторые её недостатки по сравнению со схемой полной звезды – в 2 раза меньшая чувствительность при двухфазных к.з. за трансформаторами / и / и однофазных к.з. за трансформаторами / с заземлённой нейтралью могут быть устранены включением в обратный провод третьего реле тока. Ток в этом реле будет равен:

I Р I а I с I в ; nТ

Ток Iр равен току третьей фазы (где отсутствует ТТ) и эта схема работает как схема полной звезды.

Схема неполного треугольника по сравнению со схемой неполной звезды имеет ряд недостатков:

–непригодна в качестве резервной защиты от двухфазных и однофазных к.з. за трансформаторами;

–имеет пониженную чувствительность для МТЗ при двухфазных к.з. между фазами, в одной из которых отсутствует ТТ.

Схема полной звезды является наиболее дорогой и не нашла широкого использования, т.к. требует установки 3-х ТТ.

Схема полного треугольника используется только на понижающих трансформаторах с глухозаземлёнными нейтралями.

Нагрузка трансформаторов тока

Выше отмечалось, что погрешность трансформатора тока за висит от величины его нагрузки. Сопротивление нагрузки трансформатора тока равно:

Z Н U 2 , I 2

где U2 и I2 — напряжение и ток вторичной обмотки ТТ.

Чтобы определить ZН, нужно вычислить напряжение U2, равное падению напряжения в сопротивлении нагрузки ZН от проходящего в нем тока IН.

Сопротивление нагрузки состоит из сопротивления проводов rп и сопротивления реле ZР, которые для упрощения суммируются арифметически: ZН = rп + ZР.

Величина U2 = I2ZР зависит от схемы соединения трансформаторов тока, величины нагрузки ZН, вида к.з. и сочетания повреждённых фаз.

Для схемы полной звезды при трёх и двухфазных к.з.U2 равно падению напряжения в нагрузке фазы, т.е. U2 = I2 (rп + ZР), поэтому

Z Н	(3) Z Н	(2)	U 2	(2)		I 2 (rП Z Р)	(rП Z Р) ;
			I 2
						I 2

При однофазном к.з. U2 равно падению напряжения в сопротивлении петли «фаза – нуль» и в сопротивлении реле в фазе ZР.Ф.и нулевом проводе ZР.0:

Z Н	(1)	I 2 (2rП Z Р.Ф Z Р.0)				2rП Z Р.Ф Z Р.0 ;
				I 2
	В схеме неполной звезды максимальная нагрузка на трансформаторы тока имеет место при
двухфазных к.з. между фазой, имеющей ТТ и фазой, не имеющей его и равна ZН = 2rп + ZР.
	При включении ТТ на разность токов двух фаз максимальная нагрузка на
трансформаторы				тока	имеет место при двухфазных к.з. между фазами, имеющими
трансформаторы тока и составляет:
	Z Н		2I 2 r	П 2I 2	Z Р 2I 2 rП )		4rП 2Z Р ;
				I 2

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

34

Н.факт

В схеме треугольника трансформаторы тока имеют наибольшую нагрузку, равную как при 3- х, так и при 2-х фазных к.з. ZН = 3(rп + ZР).

Для уменьшения нагрузки на ТТ применяют последовательное включёние вторичных обмоток трансформаторов тока. При этом нагрузка распределяется поровну (уменьшается в два раза). Ток в цепи, равный I2=I1/nТ остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ составляет I2ZН/2.

Выбор трансформаторов тока

Выбор трансформаторов тока для релейной защиты выполняется по следующему алгоритму:

1. Определяется рабочий ток защищаемого объекта I раб.

2. По найденному значению тока и номинальному напряжению выбирается трансформатор тока.

3. Определяется максимально возможное значение тока повреждения защищаемого объекта I к.макс..

4. Рассчитывается кратность тока короткого замыкания как отношение

К Iк.макс ,

I1.ном

где I1.ном – номинальный первичный ток ТТ.

5. Зная кратность К, по кривой 10%-й погрешности определяется допустимая нагрузка ZН. доп для выбранного трансформатора тока.

6. Учитывая схему соединения ТТ, рассчитывается фактическая нагрузка трансформаторов тока ZН.факт. и сравнивается с допустимой ZН. доп.

7. Если ZН.факт ≤ ZН. доп считается, что трансформатор тока удовлетворяет требованиям точности и его можно использовать для данной схемы защиты. Если Z >

ZН. доп, то необходимо принять меры для уменьшения нагрузки. В качестве таких мер можно назвать следующие:

-выбор трансформатора тока с увеличенным значением коэффици ента трансформации;

-увеличение сечения контрольного кабеля;

-использование вместо одного трансформатора тока группу трансформаторов, соединенных последовательно.

Нормальным режимом работы для ТТ является режим короткого замыкания, в котором погрешности ТТ имеют наименьшие значения.

Работа трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой недопустима, т.

к. в этом случае отсутствует размагничивающий поток в сердечнике ТТ, что приводит

кего насыщению, резкому росту тока намагничивания и, как следствие, недопустимому нагреву трансформатора и разрушению изоляции. Раскорачивание вторичной обмотки ТТ при наличии тока в первичной приводит к перенапряжению во вторичных цепях и пробою изоляции.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

35

3. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ

Основными видами повреждений линий электропередач являются междуфазные и однофазные к.з. Защита линии должна выявить факт возникновения повреждения и сформировать команду на отключение выключателей повреждённой линии от источников питания.

Для защиты линий от к.з. широкое распространение получили защиты, реагирующие на увеличение тока выше заранее установленного значения (уставки). Такие защиты называются

максимальными токовыми защитами (МТЗ).

Максимальные токовые защиты могут быть реализованы с помощью различных технических средств:

−предохранителей с плавкими вставками;

−электромагнитных и тепловых расцепителей автоматических выключателей

(автоматов);

−максимальных реле тока в совокупности с реле времени, промежуточными и указательными реле.

МТЗ широко используется в радиальных электрических сетях напряжением до 35 кВ.

В сетях напряжения до 1 кВ токовые защиты, как правило, выполняются на предохранителях или с помощью автоматических выключателей, а в сетях выше 1 кВ с использованием реле.

3.1.Токовая защита с использованием предохранителей

Предохранитель представляет собой простейший коммутационный аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса, изготовленного из изолирующего материала

идвух металлических электродов, закрывающих корпус с обоих торцов. Электроды соединяются между собой плавкой вставкой, проходящей внутри корпуса предохранителя.

Принцип действия предохранителей основан на тепловом действии электрического тока. Согласно закону Джоуля-Ленца при прохождении тока по проводнику сопровождается выделением определённого количества тепла.

Внормальном режиме выделяемое в плавкой вставке предохранителя тепло нагревает саму вставку и корпус предохранителя и рассеивается в окружающую среду. Температура нагрева плавкой вставки в нормальном режиме не превышает температуру её плавления.

Врежимах к.з. и при перегрузках увеличение тока через плавкую вставку предохранителя приводит к увеличению количества выделяемого тепла, и температура проводника плавкой вставки начнёт повышаться. При значительном увеличении тока (или времени прохождения тока) температура может достичь температуры плавления металла плавкой вставки, вставка плавится (перегорает), и происходит разрыв электрической цепи. Очевидно, чем больше сила тока (или время прохождения тока) по плавкой вставке, тем быстрее она перегорает . На этом явлении и основан принцип действия предохранителей с плавкими вставками.

Предохранитель выполняет функции всех элементов токовой защиты, а также функции измерительного преобразователя тока и выключателя линии . С

помощью предохранителей защита осуществляется наиболее просто и дешево (при их использовании не требуется устанавливать трансформаторы тока и напряжения, реле

иавтоматические выключатели).

Всетях переменного и постоянного тока напряжением до 1 кВ предохранители с плавкими вставками являются основным видом защиты. В некоторых случаях предохранители используются и в сетях переменного тока более высоких напряжений

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

36

(до 110 кВ), когда они удовлетворяют требуемым параметрам и условиям эксплуатации.

Предохранители применяются для защиты от к.з. и от перегрузки не только линий, но и трансформаторов, электродвигателей и др. электрооборудования, при условии, что минимальное напряжение и ток, а также предельный отключаемый ток соответствуют параметрам сети, если при этом обеспечиваются необходимые чувствительность и селективность.

Предохранители устанавливаются на всех фазах между разъединителем (или рубильником) и защищаемым элементом, для того, чтобы замену перегоревших плавких вставок можно было производить со снятием напряжения.

Предохранители характеризуются следующими техническими параметрами:

−номинальное напряжение предохранителя (Uпр.ном);

−номинальный ток плавкой вставки (Iвс.ном);

−номинальный ток предохранителя (Iпр.ном);

−предельный отключаемый ток (Iоткл.макс).

Любой предохранитель обладает время-токовой характеристикой плавкой вставки (защитной характеристикой).

Из рис. 3-1 видно, что защитная характеристика плавкой вставки представляет собой зависимость времени разрыва предохранителем цепи от проходящего через предохранитель тока, отнесенного к номинальному току плавкой вставки или к кратности этого тока к номинальному току вставки.

Рис. 3-1. Защитная (время-токовая) характеристика плавной вставки.

Выбор предохранителей, используемых в качестве токовой защиты, должен осуществляться с соблюдением следующих условий:

Uпр.ном. Uс
Iпр.ном Iраб.мах	(3-1)
Iоткл.мах Iк.мах

где:

UС

Iраб. макс

Iк. макс

номинальное напряжение сети, в которой используется предохранитель; максимальный рабочий ток защищаемой линии;

максимальный ток, проходящий через предохранитель при к.з.

Действительное напряжение сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10%.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

37

вс.ном

Номинальный ток плавкой вставки во всех случаях необходимо выбирать минимальным, при этом плавкая вставка не должна перегорать при прохождении по ней длительного тока нагрузки Iраб. макс..

Iвс.ном = Кн Iн.мах		(3-2)
где:
Кн	коэффициент надёжности, зависящий	от характера
	нагрузки (постоянной или переменной).

При постоянной нагрузке (например, освещение) Кн=1,1 1,2.

При переменной нагрузке (например, электродвигатели) необходимо учит ывать возможность возникновения кратковременных перегрузок вызванных пусками электродвигателей или технологическими перегрузками механизмов и др. причинами.

Для выполнения этого условия I выбирают таким, чтобы при перегрузке время перегорания плавкой вставки было больше времени перегрузки:

	Iвс.ном	Iпер	(3-3)
		Kпер
	где:
	Кпер		коэффициент перегрузки

При тяжёлых условиях пуска и самозапуска электродвигателей Кпер принимается 1,5-2, при лёгких пусках Кпер= 2,5.

Селективность токовой защиты на предохранителях достигается путём согласования защитных характеристик смежных участков электрической сети. Например, при к.з. в точке К1 радиальной сети (рис. 3-2) раньше других должна перегореть плавкая вставка предохранителя 1, а при к.з. в точке К2 предохранитель 2 должен сработать раньше предохранителя 3. Поэтому защитные характеристики

предохранителей, расположенных ближе к источнику питания, должны лежать выше характеристик предохранителей более удалённых от источника питания элементов сети.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

38

Рис. 3-2. Согласования характеристик предохранителей в радиальной электрической сети.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев невозможно согласовать предохранители смежных элементов сети из-за нестабильности их защитных характеристик, что существенно ограничивает область их применения.

Выводы:

1.Предохранитель представляет собой коммутирующий аппарат, выполняющий одновременно с коммутацией функции токовой защиты.

2.Действие предохранителя основано на выделении тепла при прохождении тока по его плавкой вставке.

3.Предохранители, как дешёвые и простые аппараты получили широкое распространение в электроустановках и электрических сетях напряжением до

1кВ.

3.2.Токовая защита с использованием расцепителей встроенных в автоматические воздушные выключатели до 1 кВ.

Впоследние годы вместо предохранителей для защиты от к.з. и перегрузки электроустановок до 1 кВ широко стали применять электромагнитные, тепловые и полупроводниковые расцепители встроенные в автоматические воздушные выключатели (автоматы).

Автоматы представляют собой коммутационные аппараты, состоящие из выключателя с мощной контактной системой для разрыва тока к.з. и автоматических защитных устройств (расцепителей), представляющих собой реле прямого действия, которые автоматически отключают выключатель, если, проходящий через него ток, превышает ток уставки расцепителя. Поэтому такие выключатели получили название автоматических выключателей.

Автоматы имеют ряд преимуществ по сравнению с предохранителями. А именно:

−готовность к немедленному включению после аварийного отключения защищаемой цепи;

−одновременное отключение всех фаз (полюсов) защищаемой цепи.

Взависимости от типа автомата в них устанавливаются различные расцепители:

тепловые, электромагнитные, электронные.

Тепловой расцепитель представляет собой тепловое реле, принципиальная схема которого приведена на рис. 3-3. Основным элементом теплового реле, которое реагирует

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

39

на количество тепла, выделяемого в его нагревательном элементе (биметаллической пластине) при прохождении через него тока. Биметаллическая пластина 1, выполняется из 2-х различных металлов а и б, которые при нагревании удлиняются на разную величину, вследствие чего пластина изгибается и освобождает защёлку 2. Далее под действием пружины 3 производится отключение автомата и замыкание контакта 4. Время срабатывания тепловых расцепителей тем больше, чем меньше ток перегрузки.

Рис. 3-3. Принципиальная схема теплового расцепителя.

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который при определённом токе мгновенно притягивает якорь, вследствие чего происходит отключение автомата.

Принципиальная схема электромагнитного расцепителя мгновенного действия и его защитная характеристика представлена на рис. 3-4.

Рис. 3-4 Принципиальная схема (а) и время-токовая характеристика (б)

электромагнитного расцепителя мгновенного действия.

При к.з. ток, превышающий уставку расцепителя, проходит через обмотку электромагнита Э и якорь Я, преодолевая усилие пружины П1, притягивается к электромагниту. Далее, рычаг защёлки Р3 поворачивается, расцепляя защёлку З и под действием пружины П2 силовые контакты автомата размыкаются, отключая повредившийся элемент сети от источника питания.

Электромагнитными расцепителями мгновенного действия оснащаются выпускаемые отечественной промышленностью автоматические выключатели серии А.

Промышленностью выпускаются также автоматы, имеющие комбинированные расцепители (например, автоматы серии АВМ), которые осуществляют защиту, как от перегрузки, так и от к.з. Комбинированные расцепители могут содержать комбинацию из 2-х расцепителей теплового и электромагнитного или 2-х электромагнитных расцепителей один из которых осуществляет защиту от перегрузки (время его срабатывания зависит от величины тока), другой – защиту от к.з. (мгновенный).

Принципиальная схема комбинированного расцепителя и его защитная (времятоковая) характеристика представлены на рис. 3-5. При возникновении тока перегрузки

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

40