5. Защиты линий электропередачи.

Ступенчатые токовые защиты

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).

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.

МТЗ

Основным признаком возникновения к.з. и перегрузки является увеличение тока в линии. На использовании этого признака и основан принцип действия максимальной токовой защиты (МТЗ), которая приходит в действие (срабатывает) при увеличении тока сверх определённого значения. 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.

Минимальный ток, при котором защита срабатывает называется током

срабатывания максимальной токовой защиты. Ток срабатывания МТЗ выбирается большим максимального рабочего тока защищаемой линии (максимального тока нагрузки) с учетом необходимости возврата защиты после отключения к.з. защитой предыдущего участка сети.

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.

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

tс.з.2 = tс.з.1 + Δt

tс.з.3 = tс.з.2 + Δt

Токовые отсечки

Основной недостаток максимальной токовой защиты заключается в наличии относительно большой выдержки времени вблизи источников питания, поэтому МТЗ, как правило, используют совместно с другой токовой защитой – токовой отсечкой (ТО), реагирующей также как и МТЗ на увеличение тока.

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): ,

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). Чем больше разница в значениях токов к.з. в начале и конце защищаемой линии (чем больше крутизна кривой спада тока по длине линии), тем больше зона отсечки, поэтому ТО эффективна на относительно протяженных линиях, а также на линиях питающих трансформаторы и реакторы.

Токовая отсечка, как правило, не защищает всю длину линии и не может быть использована в качестве основной защиты.

Назначение и принцип действия дистанционной защиты.

Принцип действия дистанционной защиты основан на контроле изменения сопротивления. Например, если защищаемым объектом является линия, то в нормальном режиме параметры напряжения на шинах и тока в линии близки к номинальным: U_Л = U_HОРМ, I_Л = I_НОРМ, отношение соответствует нормальному режиму.

При возникновении короткого замыкания напряжение на шинах уменьшается, ток в линии увеличивается, контролируемое сопротивление уменьшается .

В свою очередь, Z_K = Z₀ L_K ,

где Z₀ - сопротивление 1 км линии;

L_K - длина линии (км).

Следовательно, контролируя изменение сопротивления, можно определить факт возникновения короткого замыкания и оценить удаленность точки короткого замыкания.

Обычно дистанционная защита выполняется в виде трех ступеней, характеристика ее времени срабатывания представлена на рис. Первая ступень предназначена для работы при коротких замыканиях на защищаемой линии Z_СЗ < Z_Л, то есть сопротивление срабатывания защиты должно быть меньше сопротивления линии.

Как правило, первая ступень охватывает 85 % длины защищаемой линии. При коротких замыканиях в зоне действия первой ступени защита работает без выдержки времени, t¹ = 0.Вторая ступень предназначена для надежной защиты всей линии. Ее зона действия попадает на смежную линию, поэтому для исключения неселективного срабатывания защиты при коротком замыкании на отходящей линии в точке К₂ , вводится замедление на срабатывание, t² = 0.4 – 0.5 сек.

Третья ступень выполняет функции ближнего и дальнего резервирования.

Продольная дифференциальная защита линий.

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

На рис. 6-2 представлена схема продольной дифференциальной защиты линии с циркулирующими токами. В этой схеме при прохождении по защищаемой линии сквозного тока (нагрузки или внешнего к.з.) по соединительным проводам, соединяющим вторичные обмотки трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 постоянно циркулирует ток, равный по величине вторичному току трансформаторов тока.

Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается обмотка токового

реле Т, которое совместно с ТТ1 и ТТ2 образует дифференциальную защиту. Вторичные Рис.6‐1. Токи по концам линии (а) при внешних к.з. и (б) на линии. обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. токи в соединительных проводах имели одинаковое направление, а ток в реле был равен разности вторичных токов трансформаторов тока.

Таким образом, при прохождении по защищаемой линии сквозного тока нагрузки или внешнего к.з. ток в реле продольной дифференциальной защиты отсутствует и, следовательно, дифференциальная защита на такие режимы не реагирует. Поэтому защита не требует выдержки времени, т.е. является селективной по своему принципу действия.

Рис. 6‐2. Прохождение токов в схеме продольной дифференциальной защиты

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

Поперечная токовая дифференциальная защита линий.

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

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.:

I_P = I₁ − I₂

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.;

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.