Н.В. Чернобровов Релейная защита

101

где zф — сопротивление фильтра, измеренное со стороны выходных зажимов mn при разомкнутой цепи на входе фильтра; zР — сопротивление реле.

Реле, питающиеся через фильтр обратной последовательности (фильтр-реле), действуют только при несимметричных к. з., когда токи к. з. содержат составляющую обратной последовательности и не реагируют на симметричную нагрузку и трехфазные к. з., поскольку в этих случаях I2 = 0.

Ток небаланса. За счет неточного подбора сопротивлений фильтра может появиться ток небаланса Iнб при отсутствии тока I2, который ограничивает чувствительность фильтр-реле. Поэтому Iнб должен сводиться к минимальному значению регулировкой сопротивлений. Баланс сопротивлений может нарушиться при изменении частоты в сети, питающей фильтр, изза того, что реактивные сопротивления xL, хс зависят от частоты. Это свойство фильтров является их недостатком.

Чувствительность ф и л ь т р а-р е л е зависит от чувствительности реле и мощности, отдаваемой фильтром. Каждый источник питания отдает наибольшую мощность приемнику в случае равенства по величине их полных сопротивлений, т. е. при zр = zф. Абсолютный максимум отдаваемой мощности имеет место, если при равенстве полных сопротивлений источника и приемника их реактивные сопротивления также равны, но имеют противоположные знаки [Л. 23]. Следовательно, для обеспечения максимальной отдачи мощности фильтром необходимо выполнить условие

rp= rф и хр = - хф

(3-22)

В качестве реле, питающихся от фильтра, обычно применяются чувствительные электромагнитные токовые реле или поляризованные реле постоянного тока, которые подключаются к фильтру через выпрямитель.

102

в) Фильтры токов прямой последовательности

Учитывая, что токи прямой последовательности отличаются от обратной только чередованием фаз, любой фильтр обратной последовательности можно превратить в фильтр прямой последовательности, изменив на его зажимах последовательность подводимых фаз.

Например, если на фильтре, изображенном на рис. 3-21, а, поменять местами фазы В и С, т. е. подключить фазу С к зажиму 2, а фазу В — к зажиму 3, то на выходных зажимах фильтра появится напряжение Umn, пропорциональное токам прямой последовательности, а токи обратной последовательности не будут давать напряжения на выходе фильтра.

Фильтры токов прямой последовательности в чистом виде используются редко и приме-

. . . .

няются как правило, в комбинации с другими составляющими ( I 1 + k I 2, I 1 + k I 0).

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА

4-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ

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

Токовые защиты подразделяются на максимальные токовые защиты и токовые от сечки. Главное различие между этими защитами заключается в способе обеспечения селективности.

Селективность действия максимальных защит достигается с помощью выдержки времени. Селективность действия токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока срабатывания.

4-2. ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ПОМОЩЬЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

Максимальные токовые защиты являются основным видом защит для сетей с односторонним питанием. В сетях более сложной конфигурации максимальная защита применяется как вспомогательная в отдельных случаях.

В сетях с односторонним питанием максимальная защита должна устанавливаться в начале каждой линии со стороны источника питания (рис. 4-1, а). При таком расположении защит

каждая линия имеет самостоятельную защиту, отключающую линию в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее подстанции.

При к. з. в какой-либо точке сети, например в точке К1 (рис. 4-1, Й), ток к. з. проходит по всем участкам сети, расположенным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все защиты (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только защита 4, установленная на поврежденной линии.

Для обеспечения указанной селективности максимальные защиты выполняются с выдержками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на

103

рис. 4-1, б. При соблюдении этого принципа в случае к. з. в точке К1 раньше других сработает защита 4 и произведет отключение поврежденной линии. Защиты 1, 2 и 3 вернутся в начальное, положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при к. з. в точке К2 быстрее всех сработает защита 3, а защиты 1 и 2, имеющие большее время, не подействуют.

Рассмотренный принцип подбора выдержек времени называется с т у п е н ч а т ы м .

В сетях с двусторонним питанием достигнуть селективного действия максимальной защиты только путем подбора выдержек времени, как правило, не удается; в этих сетях вместо максимальной токовой защиты применяют более сложные направленные защиты.

4-3. СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

а) Разновидности схем максимальной защиты

Максимальные защиты выполняются трехфазными и двухфазными (§ 3-6, б, в, д), прямого и косвенного действия (§ 1-8).

По способу питания оперативных цепей максимальные защиты косвенного действия делятся на защиты с п о с т о я н н ы м и п е р е м е н н ы м оперативным током.

По характеру зависимости времени действия реле от тока максимальные защиты подразделяются на защиты с н е з а в и с и м о й и з а в и с и м о й характеристиками. Максимальные защиты прямого действия и на переменном оперативном токе имеют существенные отличия в выполнении оперативных цепей, применяемой аппаратуре и в расчете параметров, поэтому они рассматриваются отдельно (см. § 4-8).

б) Схемы трехфазной защиты на постоянном оперативном токе

Защита с независимой выдержкой времени (рис. 4-2). В трех-

фазных защитах трансформаторы тока и обмотки токовых реле соединяются по схеме полной звезды, рассмотренной в § 3-6, б.

Основными элементами схемы максимальной защиты (рис. 4-2) являются: токовые реле1, срабатывающие при появлении тока к. з. и выполняющие функции п у с к о в о г о о р г а н а защиты, и реле времени 2, создающее выдержку времени и выполняющее функции органа времени. Кроме основных, в схеме имеются и вспомогательные реле; к ним относятся промежуточное реле 3 и указательное реле 4.

При возникновении к.з. срабатывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток к.з. Контакты всех токовых реле соединены параллельно, поэтому при срабатывании любого токового реле замыкается цепь обмотки реле времени 2. Через заданный интервал времени контакты реле времени замыкаются и приводят в действие промежуточное реле 3. Последнее срабатывает мгновенно и подает ток в катушку отключения выключателя 6 через бло-

кировочный контакт 5 (см. § 1-8).

Промежуточное реле 3 устанавливается в тех случаях, когда реле времени не может замыкать цепь катушки отключения из-за недостаточной мощности своих контактов.

Указательное реле 4 включается последовательно с катушкой отключения. При появлении тока в этой цепи указательное реле срабатывает, его флажок выпадает, фиксируя таким образом действие максимальной защиты и появление тока в катушке отключения.

104

Блокировочный контакт привода выключателя 5 служит для разрыва тока катушки отключения, так как контакты промежуточных реле не рассчитываются на размыкание этой цепи. Блокировочный контакт должен размыкаться раньше, чем произойдет возврат промежуточного реле.

Время действия рассмотренной защиты определяется выдержкой времени, установленной на реле времени, и не зависит от величины тока к. з.,

поэтому такая защита называется з а щ и т о й с	н е з а в и с и м о й	в ы д е р ж -
к о й в р е м е н и и имеет характеристику в виде прямой 1 на рис. 4-3.

Защита с зависимой характеристикой. Наряду с независимой защитой применяется максимальная защита с зависимой и ограниченно зависимой характеристиками t = f (I) (кривые 2 и 3 на рис. 4-3). Оба вида зависимых защит выполняются при помощи токовых реле, работающих не мгновенно, а с выдержкой времени, зависящей от величины тока. Примером такого реле является реле типа РТ-80 (см. § 2-8). Схема зависимой защиты с реле типа РТ-80, РТ-90 изображена на рис. 4-4. В этой схеме отсутствует реле времени, а также промежуточное и указательное реле, так как реле типа РТ-80, РТ-90 имеет контакты достаточной мощности и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле.

В отличие от защиты с независимой характеристикой (прямая 1 на рис. 4-3, а) защита с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3) действует при токах Iр = (1 ÷2) Iс.з со значительно большей выдержкой времени, чем при к. з., что улучшает отстройку защиты от кратковременных перегрузок (Iп). Кроме того, защиты с зависимой характеристикой позволяют ускорить отключение при повреждении в начале линии (точка К1 на рис. 4-3, б), если ток при к. з. в К1 значительно больше, чем при к. з. в конце линии в точке К2. Однако согласование выдержек времени независимых защит значительно проще (см. § 4-5), поэтому зависимые защиты следует применять только в случаях явного преимущества.

Трехфазные схемы максимальной защиты, приведенные на рис. 4-2 и 4-4, реагируют на все виды к. з., включая и однофазные, и поэтому их применяют в I сети с глухо заземленной нейтралью, где возможны как междуфазные, так и однофазные к. з.

В сети с изолированной нейтралью трехфазные схемы не рекомендуются к применению по следующим причинам:

1. Трехфазные схемы дороже двухфазных (§ 4-3, в), так как для их выполнения требуется оольше оборудования и соединительных проводов.

2. Трехфазные защиты в большем числе случаев, чем двухфазные, работают неселективно при двойных замыканиях на землю, как это показано в § 4-4.

в) Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе

В тех случаях, когда максимальная защита должна действовать только при междуфазных к. з., применяются двухфазные схемы с двумя или одним реле.

Двухрелейная схема с независимой характеристикой (рис. 4-5, а). Токовые цепи защи-

ты выполняются по схеме неполной звезды (см. § 3-6, в). Элементы схемы и их назначение такие же, как в трехфазной схеме на рис. 4-2.

Достоинством двухрелейной схемы является то, что она:

1)реагирует (так же как и трехфазная) на все междуфазные к. з. на линиях;

2)при замыканиях на землю в двух разных точках сети с изолированной нейтралью работает селективно в большем числе случаев, чем трехфазная схема (см. § 4-4);

3)экономичнее трехфазной схемы, так как для ее выполнения требуется меньше оборудования и проводов.

Кнедостаткам двухфазной схемы нужно отнести ее меньшую чувствительность (по сравнению с трехфазной схемой) при двухфазных к. з. за трансформатором с соединением об-

105

моток λ/ . Как видно из рис. 3-17, а, при двухфазном к. з. на стороне ток в одной

фазе звезды равен	2			1	К, а в двух других		1			1К, т. е. в 2 раза меньше.
	3					3

То же самое получается и при соединении обмоток трансформатора /λ в случае двухфазного к. з. на стороне звезды.

При трехфазной схеме одно из реле защиты питается большим током к. з. 2 Ik, в то

3

время как при двухфазной схеме в одном из трех возможных случаев двухфазного к. з.(АВ, ВС, СА) трансформаторы тока защиты оказываются на фазах с меньшими токами к. з.(

1 Ik). Поэтому двухфазная защита при двухфазных к. з. за трансформаторами с со-

3

единением обмоток λ/ и /λ имеет в 2 раза меньшую чувствительность, чем трехфазная защита.

При необходимости чувствительность двухфазной схемы можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. В этом проводе (см. § 3-6, в) протекает геометрическая сумма токов двух фаз, питающих схему (А и С на рис. 4-5, а), равна току

. . . .

третьей (отсутствующей в схеме) фазы В, т. е. I 0.п = - ( I а + I с)= I b.

Таким образом, с дополнительным реле двухфазная схема становится равноценной по чувствительности с трехфазной.

Вследствие отмеченных выше положительных свойств двухфазные схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные к. з. Двухфазные схемы применяются в качестве защиты от междуфазных к. з. и в сетях с глухозаземленной нейтралью, при этом для отключения однофазных к. з. устанавливается дополнительная защита, реагирующая на ток нулевой последовательности.

Однорелейная схема (рис. 4-5, б). Защита состоит из тех же элементов, что и предыдущая схема. Токовое пусковое реле Т одно, оно включается на разность токов двух фаз

. . .

I р = I А — I В и реагирует на все случаи междуфазных к. з. (полной и неполной звезды), как было показано в § 3-6.

Преимуществом схемы является наименьшее число токовых реле и соединительных проводов, необходимых для ее выполнения (одно реле и два токовых провода).

К недостаткам, ограничивающим применение схемы, нужно отнести:

1) меньшую чувствительность по сравнению с двухрелейной схемой при к. з. между фазами АВ и ВС (§ 3-6, д). Этот недостаток имеет значение при малой кратности токов к. з., когда Ik близко к току нагрузки;

106

2) недействие защиты при одном из трех возможных случаев к. з. за трансформатором

. . .

ссоединением обмоток λ/ (см. § 3-6), когда I р = I a — I с = 0;

3)при неисправности единственного токового реле или проводов, связывающих его с трансформаторами тока, защита откажет в действии при к. з. Двухрелейная схема (рис. 4 - 5, а) не имеет такого недостатка, так как при трехфазных к. з. и двухфазных между А и С в этой схеме работают два реле и поэтому обрыв одного провода не приведет к отказу защиты.

Первый недостаток не позволяет применять однорелейные схемы в сети с малой кратностью токов к. з. Второй исключает применение схемы в сетях, где имеются трансформаторы

ссоединением обмоток λ/Δ, если при к. з. за ними рассматриваемая защита должна действовать. Третий ограничивает применение однорелейной защиты в сетях, где отказ защиты может отразиться на электроснабжении большого участка сети.

Однорелейная схема находит применение в распределительных сетях 6—10 кВ и для защиты электродвигателей. В сетях 35 кВ и выше из-за указанных недостатков однорелейная схема почти не применяется.

Двухфазная защита с зависимой характеристикой. Токовые цепи этой защиты вы-

полняются так же, как и у защиты с независимой характеристикой. Токовое реле имеет зависимую характеристику, в качестве него используется реле типа РТ-80 и РТ-90.

Схемы защит аналогичны схемам на рис. 4-5, а и б, за исключением того, что в них отсутствуют реле времени и указательное реле. Все сказанное о двухфазных схемах с независимой характеристикой относится и к схемам с зависимой характеристикой.

4-4. ПОВЕДЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ДВОЙНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ

В сети с изолированной нейтралью возможны одновременные замыкания на землю разноименных фаз в двух точках сети (рис. 4-6). В этих случаях желательно отключать не обе поврежденные линии, а только одну из них Л1 или Л2. При таком отключении к. з. ликвидируется с наименьшим ущербом для потребителей (селективно), а оставшееся однофазное замыкание (Кг или К1) отключается вручную после перевода питания потребителей поврежденной линии на другой источник питания.

Селективная ликвидация двойных замыканий на землю является сложной задачей. С помощью токовой защиты ее можно решить, хотя и не полностью, применяя двухфаз-

ную схему максимальной защиты при условии, что трансформаторы тока на всех элемен-

тах сети данного напряжения устанавливаются на одноименных фазах.

При случайном расположении трансформаторов тока (на разных участках, на разноименных фазах) защита может работать неправильно, если оба замыкания на землю возникнут на тех фазах, где трансформаторов тока нет, как это показано на рис. 4-6.

В этом случае защиты обеих поврежденных линии не подействуют, что повлечет несе-

107

лективное отключение источника питания сети.

Если же трансформаторы тока защиты установлены везде на одноименных фазах (например, А и С), то возможность такого неселективного отключения исключается.

Из рассмотрения рис. 4-7 нетрудно установить, что при размещении трансформаторов тока на одноименных фазах А и С повреждения будут отключаться селективно (т. е. в одной точке сети), за исключением следующих двух случаев:

а) если более удаленное от источника питания замыкание на землю (в точке Л"2) окажется на фазе В, не имеющей трансформатора тока (рис. 4-7, а). В этом случае подействует защита 1 и отключит ближнюю к источнику питания линию Л1, так как защита 2 работать не может. Трехфазная защита в этих условиях обеспечивает селективное отключение линии Л2;

б) если оба замыкания на землю возникнут на линиях, имеющих защиты с одинаковыми выдержками времени, и на тех фазах (А и С), которые оборудованы трансформаторами тока

(рис. 4-7, б).

При этом двухфазные защиты обеих линий отключают обе точки повреждения одновременно, т. е. обе защиты работают неселективно. Совершенно так же в этом случае действует защита и в трехфазном исполнении.

Однако двухфазная защита имеет существенное преимущество перед трехфазной, если одно повреждение (К1) возникает на фазе, не имеющей трансформатора тока, а второе (К2) — на фазе, имеющей его (рис. 4-7, в). Двухфазная защита в этом случае работает только на одной из двух поврежденных линий, в результате чего одна из поврежденных линий остается в работе. Трехфазная защита в приведенном случае действует неселективно, отключая обе линии при любом сочетании поврежденных фаз.

Таким образом, в первом из трех приведенных случаев (рис. 4-7, а) имеет преимущество трехфазная схема, а в третьем (рис. 4-7, в) — двухфазная, которая действует правильно в 2/3 случаев повреждений.

Сопоставляя преимущества и недостатки трехфазной и двухфазной схем, можно считать, что с точки зрения ликвидации двойных замыканий на землю двухфазная схема имеет преимущество перед трехфазной.

108

4-5. ВЫБОР ТОКА СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ

Исходным для выбора тока срабатывания максимальной токовой защиты от к. з. является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях, но в то же время не действовала при максимальных токах нагрузки и ее кратковременных толчках, вызываемых пуском и самозапуском двигателей, колебанием нагрузки потребителей и другими причинами.

Излишняя чувствительность защиты из-за недостаточной отстройки ее от токов нагрузки может приводить к неправильным отключениям при неопасных перегрузках, что наносит ущерб потребителям. Слишком чувствительная защита сама становится источником аварий и перебоев в питании потребителей.

Из этого следует, что главная задача при выборе тока срабатывания состоит в надежной отстройке защиты от токов нагрузки. Для этой цели необходимо выполнить два условия:

1) Токовые реле защиты не должны приходить в действие при максимальном рабочем

токе нагрузки Iн.макс, для чего ток срабатывания защиты1 Iс.з должен быть больше максимального тока нагрузки:

	Iс.з > Iн.макс	(4-1)
2)	Токовые реле, сработавшие при к. з. в сети, должны

надежно возвращаться в исходное положение после отключения к. з. при оставшемся в защищаемой линии рабочем токе. Так, например, при к. з. в токе К сети (рис. 4-8) срабатывают токовые реле защит 1 и 2. После отключения повреждения защитой 2 прохождение тока к. з. прекращается и пришедшие в действие токовые реле защиты 1 должны возвратиться в начальное положение, так как иначе произойдет неправильное отключение неповрежденной линии. Поэтому ток возврата реле должен быть больше тока нагрузки линии, проходящего через защиту 1 после отключения к. з.

Этот ток в первый момент времени после отключения к. з. имеет повышенное значение из-за пусковых токов электро-

двигателей. Асинхронные электродвигатели, составляющие значительную часть нагрузки, во время к. з, тормозятся вследствие возникающего, при к. з. понижении напряжения. После отключения к. з. напряжение восстанавливается и все оставшиеся в работе электродвигатели (часть неответственных электродвигателей отключается защитой от понижения напряжения) самозапускаются, потребляя повышенный пусковой ток (рис. 4-9). Этот ток I3 постепенно затухает, и в линии устанавливается рабочий ток, который в худшем случае может иметь максимальное значение

Iн.макс

Увеличение Iн.макс, вызванное самозапуском двигателей, оценивается коэффициентом запуска кз. Учет самозапуска двигателей является обязательным. Исходя из этого

Iвоз > kзIн.макс.

(4-2)

При выполнении условия (4-2) выполняется также условие (4-1), так как ток возврата максимальных реле всегда меньше тока срабатывания. Поэтому для отстройки защиты от нагрузки за исходное

принимается условие (4-2). Руководствуясь им, ток возврата выбирают равным:

Iвоз = kнkз Iн.макс	(4-3)
Коэффициент надежности kн учитывает возможную погрешность в	величине тока
возврата реле и принимается равным 1,1 – 1,2.

109

1 Здесь и в дальнейшем под током срабатывания защиты подразумевается наименьший первичный ток в фазе линии, необходимый для действия защиты.

Как видно из выражения (4-4), значение Iс.з зависит от kвоз и Iн.макс. Ток срабатывания обратно пропорционален kвоз, поэтому в целях уменьшения Iс.з стремятся применять токовые

реле с высоким коэффициентом возврата: примерно 0,85 и выше.

Существенное значение для надежной отстройки защиты от нагрузки имеет правильная оценка величины Iн.макс.

Определяя максимальное значение тока нагрузки, нужно учитывать тяжелое, но в то же время реально возможное увеличение нагрузки, обычно возникающее в результате нарушения нормальной схемы сети. Например, при двух параллельных линиях (рис. 4-10, а) необходимо учитывать, что в случае автоматического отключения одной из них нагрузка на оставшейся линии удвоится. При наличии АВР, включающего выключатель Б (рис. 4-10, б), необходимо предусматривать наброс мощности на линию Л1 при отключении Л2 и наоборот. При наличии АПВ (рис. 4-10, в) необходимо учитывать самозапуск электродвигателей после повторного включения линий от АПВ.

Чувствительность защиты. Ток срабатывания, выбранный по условию отстройки от нагрузки, проверяется по условию чувствительности защиты. Проверка ведется по мин и м а л ь н о м у значению тока Iк.мин при повреждении в конце зоны защиты. Зона действия мак-

симальной токовой защиты должна охватывать защищаемую линию и следующий второй участок, т. е. линию Л2 и трансформаторы, отходящие от шин приемной подстанции (рис.

4-11). Максимальный ток рассчитывается для реального минимального режима на электростанциях и в сетях, питающих линию. Чувствительность защиты оценивается коэффициен-

110