Третья ступень токовой защиты — максимальная токовая защита.

Выбор выдержки времени. Как уже отмечалось (см. 3.2), третья ступень токовой защиты, которую принято называть максимальной токовой защитой, может выполняться с независимой и с ограниченно зависимой характеристиками времени срабатывания. И в том, и в другом случае селективность защиты можно обеспечить, если время срабатывания t_l^III защиты А1 (рис. 19.4), расположенной у источника питания, при коротком замыкании в точке K₂ на смежном участке в зоне действия защиты А2 (линия БВ) больше максимальной выдержки времени t ₂ ^III защиты А2 на ступень селективности Δt =0,3...0,5 с. Если для защиты используют реле РТВ, то ступень селективности увеличивают до 1 с.

Рис. 9.4. Размещение максимальных                   Рис. 9.5. Согласование характеристик

токовых защит в радиальной сети с                      максимальных токовых защит         с односторонним питанием                                    независимой выдержкой времени

      Выдержки времени у максимальных токовых защит выбирают по ступенчатому принципу: начинают выбор с наиболее удаленного от источника питания элемента и по мере приближения к источнику питания увеличивают ее таким образом, что защита последующего участка имеет выдержку времени на ступень селективности больше, чем максимальная выдержка времени защиты предыдущего участка (рис. 9.5):

t ₃ ^III = t ₄ ^III + Δt ; t ₂ ^III = t ₃ ^III + Δt ; t ₁ ^III = t ₂ ^III + Δt .

Выдержки времени у максимальных токовых защит с ограниченно зависимой характеристикой должны выбираться для определенного тока. Из рис. 19.4 очевидно, что наибольший ток к. з., а следовательно, и наибольший ток в реле защиты А1 и А2 при повреждении в зоне действия защиты А2 проходят при коротком замыкании вблизи места установки защиты А2 (точка К₂), т. е. у шин подстанции Б.

Рис. 9.6. Характеристики максимальных токовых защит с ограниченно зависимой выдержкой времени

При удалении точки короткого замыкания в направлении подстанции В ток повреждения уменьшается, а время срабатывания защит А1 и А2 увеличивается. Для двух реле одного типа с разными уставками времени разность Δt выдержек времени при изменении тока не остается постоянной; она тем больше, чем меньше ток в реле (рис. 9.6, а). Поэтому необходимо, чтобы условие селективности выполнялось для тока короткого замыкания I _к2 ⁽³⁾ в точке К₂.

Характеристику защиты А1 по заданной характеристике защиты А2 выбирают следующим образом: строят характеристику выдержек времени защиты А2 в зависимости от абсолютного значения тока в обмотке реле; по построенной характеристике определяют время срабатывания защиты А2 при токе к. з. I ⁽³⁾ _К2 в расчетной точке (точка K₂); прибавив к этому времени ступень селективности, определяют время срабатывания защиты A1 и точку а (рис. 9.6, а), принадлежащую характеристике защиты; по току срабатывания и точке а выбирают характеристику реле по типовым характеристикам.

На рис. 9.6, б показано изменение тока повреждения при перемещении точки короткого замыкания от подстанции А к В (кривая 3) и построены характеристики 1, 2 защит А1 и А2 соответственно. Из графиков видно основное преимущество защиты с зависимой характеристикой — отключение близких повреждений с малой выдержкой времени при обеспечении селективности в случаях короткого замыкания на соседней линии. Достоинством рассматриваемой защиты является также отсутствие отдельных реле времени (что упрощает схему) и удобное согласование с пусковой характеристикой электродвигателей. Наряду с этим она имеет существенные недостатки, которых нет у максимальной защиты с независимой характеристикой выдержки времени: большие выдержки времени в минимальных (точнее, не в максимальных) режимах работы и при действии защиты в качестве резервной; зависимость уставки времени срабатывания от максимального тока к. з., что требует изменять уставки с развитием системы электроснабжения и держать их все время под наблюдением.

Выбор тока срабатывания. При выборе тока срабатывания защиты I^III _с.з необходимо исходить из условий возврата измерительноного органа в начальное положение после его срабатывания при отключении внешнего короткого замыкания. Действительно, при коротком замыкании в точке К₂ (см. рис. 19.4) срабатывают измерительные органы защиты А2, расположенной ближе к месту повреждения, и защиты А1. При этом на отключение действует только защита А2, так как она имеет меньшую выдержку времени.

Однако такое действие защиты имеется только в том случае, если после срабатывания защиты А2 и отключения короткого замыкания измерительный орган защиты А1 возвращается в начальное состояние.

Рис. 9.7. График изменения тока в линии при нормальном режиме, при коротком замыкании и после его отключения

Для этого необходимо, чтобы ток возврата защиты был больше максимально возможного тока в линии I _{з m ах} после отключения внешнего короткого замыкания (рис. 9.7), т. е.

I^III _в.з > I _{з. max}

При определении тока I _{з max} необходимо учитывать возможность увеличения тока в защищаемой линии вследствие самозапуска электродвигателей при восстановлении напряжения после отключения короткого замыкания, а также длительные допустимые перегрузки при АВР, при отключении одной из параллельных линий и т. п. [55]. Ток I _{з max} обычно больше длительно существующего максимального рабочего тока I _{раб max}, что учитывается коэффициентом самозапуска k _сзп ≈2,5...3. В связи с этим селективное действие защиты обеспечивается, если I^III _в.з > k _сзп I _{раб m ах} или с учетом коэффициента отстройки k _отс ^III

I^III _в.з = k^III _отс k _сзп I _{раб max} .                        (9.4)

Коэффициент отстройки учитывает, например, погрешности реле, неточности расчета и принимается равным k^III _отс = 1,1...1,2.

Согласно (11.5), с учетом коэффициента возврата k _в = I^III _в.з / I^III_{c .з}  из (19.4) получается следующее выражение для тока срабатывания защиты:

I^III _с.з = k^III _отс k _сзп I _{раб max} / k _в                           (9.5)

Таким образом, для вторичных реле общее расчетное выражение для определения тока срабатывания реле имеет вид

I^III _с.з =( k^III _отс k _сзп / k _в ) k _сх ⁽³⁾ ( I _{раб max} / K ₁ ).    (9.6)

При определении максимального рабочего тока I _{раб max} расчетным может быть случай отключения защищаемой линии при к. з. и ее успешного повторного включения устройством АПВ [10]. При отключении линии измерительные органы защиты возвращаются в исходное состояние, поэтому коэффициент возврата в выражениях (5.7) и (5.8) в этом случае принимается k _в =1.

Для обеспечения селективности в ряде случаев, например при использовании реле РТВ, требуется, чтобы по мере приближения к источнику питания ток срабатывания защит увеличивался. В других случаях ток срабатывания I^III _с.з1 защиты А1, расположенной вблизи источника питания, должен быть не меньше тока срабатывания I^III _с.з2 защиты А2 (см. рис. 19.4). Таким образом, должно выполняться условие I^III _{с.з( n -1)} ≥ I^III _{с.з n} .

Рис. 9.8. Принципиальная однолинейная схема максимальной токовой защиты с

непосредственным питанием оперативных цепей переменного тока от

вторичной обмотки трансформатора тока

В ряде случаев приходится учитывать также влияние токов нагрузки [55]. При этом, в частности, должно выполняться условие I^III _{с.з( n -1)} ≥ ( I^III _{с.з n} + I _{раб max} ), где I _{раб max} — максимальный рабочий ток электропотребителей подстанции Г (см. рис. 19.4). Чувствительность максимальной токовой защиты проверяют по минимальному току I _{к min} при повреждении в конце защищаемой линии (см. рис. 9.4, точка К₃). Чувствительность считается достаточной при k _ч ^III ≥1,5 [3]. Если максимальная токовая защита осуществляет дальнее резервирование, ее коэффициент чувствительности определяется по минимальному току к. з. в конце смежного участка (см. рис. 5.9, точка К₁ для защиты А1). При этом необходимо, чтобы k _ч ^III ≥1,2 [3]. При наличии нескольких линий, отходящих от шин приемной подстанции, коэффициент k _ч ^III ≥ l ,2 должен обеспечиваться при коротком замыкании в конце любой из них. В системах электроснабжения для выполнения максимальной токовой защиты часто используют индукционное реле РТ-80 (см. 13.2). В этом случае источником оперативного тока являются трансформаторы тока, а защита выполняется по схеме с дешунтированием электромагнита отключения выключателя при срабатывании (рис. 9.8). В такой схеме трансформатор тока используется не только как измерительный, но и для питания электромагнита отключения выключателя. Схема выполняется так, что электромагнит отключения YAT подключается к трансформатору тока ТА только при срабатывании защиты. При этом для предотвращения недопустимого размыкания цепи трансформатора тока используется реле КА с переключающим без размыкания цепи контактом, например реле РТ-85. В процессе переключения сначала электромагнит отключения YAT выключателя Q подключается к трансформатору тока (замыкается правый контакт КА), а затем он дешунтируется (размыкается левый контакт). Выключатель Q отключается, если ток в электромагните отключения окажется достаточным для его действия.

Таким образом, в такой схеме трансформаторы тока работают в двух режимах:

до срабатывания реле — в режиме источника тока; нагрузкой трансформатора тока является сопротивление обмотки реле и сопротивление проводов, поэтому при срабатывании защиты от трансформаторов тока потребляется только мощность, необходимая для действия реле; при этом полная погрешность трансформатора тока не должна превышать ε≤10% (см. 6.2);

после срабатывания реле — в режиме, близком к режиму отдачи максимальной мощности; в результате дешунтирования электромагнита отключения выключателя нагрузка трансформатора тока резко возрастает; его вторичный ток уменьшается; трансформатор тока должен обеспечить отдачу мощности, необходимой для действия электромагнита отключения выключателя; при этом уменьшившийся ток в реле должен обеспечить его удержание в состоянии после срабатывания, т. е. должен быть больше тока возврата реле. К контактной системе реле предъявляются требования надежно дешунтировать электромагнит отключения при возможных токах к. з.

Таким образом, при расчете параметров (тока срабатывания и выдержки времени) максимальном токовой защиты с дешунтированием электромагнита отключения выключателя необходимо дополнительно проверить: надежность действия электромагнитов отключения выключателя после их дешунтирования; отсутствие возврата реле после дешунтирования электромагнитов отключения; коммутационную способность переключающих контактов реле.

Надежное действие электромагнита отключения обеспечивается, если ток срабатывания защиты I _с.з ^III превышает некоторое значение первичного тока I _1э.о, при котором в электромагните отключения проходит ток, достаточный для его действия, т. е. если

I _с.з ^III ≥ I _1э.о .                               (9.7)

Условие (19.7) проверяют в следующем порядке. При заданном токе действия (срабатывания) электромагнита отключения I _с.э.о определяют вторичный ток, необходимый для его надежного действия: I ₂ = k _отс / I _с.э.о, где коэффициент отстройки k _отс =1,2...1,4. С учетом погрешности трансформаторов тока I _1э.о =| I ₂ + I '_нам| K ₁. Ток намагничивания I '_нам, в частности, можно определить по типовой характеристике намагничивания B =ƒ( H ) при заданных сечении сердечника S, числе витков вторичной обмотки ω₂ и средней длине пути магнитного потока l_ср. Сначала определяют вторичную ЭДС трансформатора тока при подключенном к нему электромагните отключения E ₂ = I ₂ ( Z ₂ -+ Z _н ), затем определяют максимальную индукцию B_max=Е₂∙l0⁸/(4,44ƒω₂S) и по кривой намагничивания находят напряженность магнитного поля Н. Соответствующий ей ток намагничивания I '_нам= Hl _{с p} /ω₂. Если при найденном токе намагничивания ток I _1э.о такой, что условие (9.7) не удовлетворяется, то возникает необходимость в последовательном соединении трансформаторов тока.

Рис. 9.9. Размещение токовых защит в сети с двусторонним питанием

Для исключения возврата измерительных реле защиты после дешунтирования электромагнита отключения необходимо, чтобы выполнялось условие

I ₂ ≥ k _отс I _в.р                               (9.8)

где k _отс = 1,2.

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

I _{к max} ^(III) /K_I≤150 A.          (9.9)

В распределительных сетях с двусторонним питанием, а также в сложных сетях с одним и несколькими источниками питания селективность действия максимальной токовой защиты не обеспечивается, что подтверждает пример выполнения защиты в радиальной сети с двусторонним питанием (рис. 9.9). При коротком замыкании в любой точке сети, в том числе и в точке К₁, в общем случае приходят в действие все защиты. При этом для селективного отключения поврежденного участка АБ необходимо, чтобы выдержка времени t^III ₂ защити A2 была меньше выдержек времени t^III ₃ защиты A3 и t^III ₄ защиты A4, т. е. t^III ₂ < t^III ₃ и t^III ₂ < t^III ₄. Наряду с этим для селективного действия защиты при коротком замыкании в точке К₂ должно выполняться условие t^III ₃ < t^III ₂ и t^III ₃ < t^III ₁. Из этого следует, что к защитам А2 и A3 предъявляются противоречивые требования. Невозможно выполнить условие, при котором в одно и то же время выдержка времени защиты А2 была бы и больше и меньше выдержки времени защиты A3, поэтому в таких сетях максимальная токовая защита не может быть селективной и применение ее невозможно.

10 лекция: Совместное действие токовой защиты и устройств автоматического повторного включения и автоматического включения резерва. Схемы и общая оценка токовых защит. Токовая защита с измерительными органами тока и напряжения.