Токовая защита с измерительными органами тока и напряжения

Измерительная часть защиты содержит реле тока и реле напряжения. На линиях электропередачи такой комбинированный измерительный орган используют для повышения чувствительности токовых отсечек (первой и второй ступеней защиты). Третья ступень— максимальная токовая защита с комбинированным измерительным органом — применяется в качестве защиты генераторов и трансформаторов от внешних к. з. Выбор параметров защиты рассмотрим на примере токовой отсечки без выдержки времени. На рис. 20.7 показана линия с односторонним питанием, работающая в блоке с трансформатором Т. По мере приближения точки трехфазного короткого замыкания к шинам подстанции А остаточное напряжение U ⁽³⁾ _ост на шинах уменьшается согласно кривой 1 (имеется в виду действующее значение периодической составляющей напряжения для момента времени t =0). При других многофазных коротких замыканиях аналогично изменяется остаточное напряжение между поврежденными фазами.

Обычно в схеме токовой отсечки используют три минимальных реле напряжения, включенных на соответствующие междуфазные напряжения. Параметрами отсечки без выдержки времени с блокировкой по напряжению являются ток срабатывания I^I _с.з и напряжение срабатывания U^I_{c .з} . Путем особого согласования их между собой удается расширить зону действия защиты, обеспечивая селективность при внешних коротких замыканиях и любых режимах работы питающей системы.

Рис. 10.7. Выбор тока и напряжения срабатывания токовой

отсечки с блокировкой по напряжению

Ток срабатывания защиты I^I _с.з определяют, исходя из требования достаточной чувствительности защиты по току при металлическом двухфазном короткой замыкании в конце защищаемой линии (точка К2);

I^I _{с . з} = I⁽²⁾ _{к min 2} /k^I _{ч I}                          (10.1)

где k^I _{ч I} — требуемый коэффициент чувствительности по току.

На рис. 20.7 ток I ⁽²⁾ _к при перемещении точки повреждения изменяется согласно кривой 3, а ток I^I _с.з определяется прямой 4. Для предотвращения неправильного действия защиты при нарушении цепей напряжения ток I^I _с.з должен быть отстроен от максимального рабочего тока по условию

I^I _с.з = k^I _отс I _{раб. max} / k_B .               (10.2)

Окончательно ток срабатывания I^I _с.з выбирают по большему из двух значений, полученных по условиям (20.1) и (20.2). Обычно расчетным является выражение (20.1), при этом не исключена возможность срабатывания реле тока защиты при коротких замыканиях за трансформатором, т. е. вне защищаемой зоны.

Для исключения неселективной работы защиты в целом при внешних коротких замыканиях напряжение срабатывания защиты U^I _с.з выбирают меньшим остаточного напряжения U ⁽³⁾ _ост в месте включения защиты (на шинах А) при трехфазном коротком замыкании за трансформатором (точка К₁). Предполагают, что при этом по защищаемой линии проходит ток I _К1 = I^I _с.з , т. е.

                                  U^I _с.з < U ⁽³⁾ _ост = I^I _с.з ( X _1уд l + X _т )

или с учетом коэффициента отстройки k^I _отс = 1,2

U^I _с.з = I^I _с.з ( X _1уд l + X _т )/ k^I _отс .                (10.3)

Такой выбор напряжения срабатывания исключает возможность срабатывания защиты при любых токах повреждения, проходящих по линии при внешних коротких замыканиях. Действительно, при токе I_{k 1} < I^I _с.з селективность защиты достигается недействием реле тока, а при I_{k 1} > I^I _с.з — недействием реле напряжения, так как при этом U _ост1 > U^I_{c .з} .

Реле напряжения не должны срабатывать в нормальном режиме, поэтому вторым условием выбора U^I_{c .з} является отстройка от минимального рабочего напряжения по условию

U^I _с.з = U _{раб min} / k^I _отс ≈0,7 U _ном               (10.4)

При коротком замыкании в конце защищаемой линии (точка K₂) защита должна обладать достаточной чувствительностью по напряжению. Допускается минимальный коэффициент чувствительности k^I _{ч U} = U^I _с.з / U _{ост max 2} =1,4...1,5.

Следует иметь в виду, что если по условию чувствительности значение U^I_{c .з} необходимо принять большим расчетного, то нужно увеличить и ток I^I _с.з , чтобы сохранялось условие (10.3). В противном случае селективность защиты при внешних коротких замыканиях нарушается. Для второй ступени защиты расчет параметров производится аналогично.

11 лекция: Токовые защиты нулевой последовательности сетей с глухозаземленными нейтралями. Токовые направленные защиты. Принцип действия, основные органы и выбор параметров токовой направленной защиты и токовой направленной защиты нулевой последовательности.

   11.1. Токовые защиты нулевой последовательности сетей с глухозаземленными

 нейтралями.

Защита обычно выполняется трехступенчатой. В случае недостаточной чувствительности она дополняется четвертой ступенью [59]. Измерительными органами защиты являются реле тока, подключенные к фильтру тока нулевой последовательности. В остальном схема защиты выполняется аналогично рассмотренным выше схемам токовой защиты с включением измерительных органов на полные токи фаз. Использование тока нулевой последовательности в качестве воздействующей величины позволяет повысить чувствительность токовой защиты к коротким замыканиям на землю и уменьшить выдержку времени ее последней ступени. В радиальной сети с односторонним питанием (рис. 11.1, а) короткие замыкания на землю возникают на участках, ограниченных обмотками трансформаторов Т1—Т3, соединенных в звезду. При этом путь прохождения тока нулевой последовательности определяется заземленными нейтралями. В рассматриваемой схеме ток нулевой последовательности проходит по поврежденному участку через заземленную нейтраль трансформатора Т1 и точку короткого замыкания. На линиях АБ и БВ и трансформаторах Т1—Т3 установлены токовые защиты А2—А5 от междуфазных повреждений и токовые защиты нулевой последовательности A₀2—А₀5 от коротких замыканий на землю.

Рассмотрим токовую защиту нулевой последовательности A₀2 линии АБ. Расчет параметров ее I и II ступеней имеет много общего с расчетом I и II ступеней защиты от междуфазных к.з. А2.

Первая ступень защиты — токовая отсечка нулевой последовательности без выдержки времени. Ее ток срабатывания I^I _{с.з A о2} выбирается по условиям отстройки от максимального значения периодической составляющей утроенного начального тока нулевой последовательности 3 I ^{( m )} _{0вн max}, проходящего в месте установки защиты при коротких замыканиях на землю (K⁽¹⁾ и K^(1,1)) на шинах приемной подстанции Б (точка K₁^(m)):

I^I _{с.з A о2} = k^I _отс 3 I ^{( m )} _{0вн max}                  (11.1)

где k^I _отс = l ,3 при использовании реле РТ-40 для линий 110—220 кВ.

При этом токовая отсечка не должна срабатывать от токов нулевой последовательности, кратковременно появляющихся при неодновременном включении фаз выключателя, например в цикле быстродействующего АПВ. Обычно в схеме защиты имеется выходное промежуточное

Рис. 11.1. Характеристика выдержек времени токовой защиты нулевой последовательности и максимальной токовой защиты

реле, создающее замедление около трех-четырех периодов, поэтому отсечка оказывается отстроенной от этих токов по времени. Необходимо исключить также ложные срабатывания защиты в неполнофазном режиме, возникающем в цикле однофазного АПВ на защищаемой линии [10]. Отстройка от уравнительного тока при качаниях не требуется, так как в нем нет составляющей тока нулевой последовательности. Преимущество токовой отсечки нулевой последовательности перед токовой отсечкой, включенной на полные токи фаз, — в ее большей защитоспособности. Она имеет большую защищаемую зону l^I_Ао2>l^I_А2 (рис. 11.1, б). Объясняется это тем, что ток нулевой последовательности 3 I ₀ ^{( m )} (кривая 2) при перемещении точки к.з. вдоль линии АБ изменяется более резко, чем ток трехфазного короткого замыкания I _к ⁽³⁾ (кривая 1). Разный характер изменения токов является следствием неравенства сопротивления нулевой Z _0л и сопротивления прямой Z _1л последовательностей линии (Z_{o л} > Z _1л).

Вторая ступень защиты—токовая отсечка пулевой последовательности с выдержкой времени. При выборе параметров защиты I^II _{с.з Ao 2} и t^II_{Ao 2} необходимо осуществить отстройку от первой ступени А₀3 защиты нулевой последовательности линии БВ и от защиты нулевой последовательности А₀4 трансформатора Т2. Из сказанного следует, что для тока срабатывания должны выполняться условия

I^II _{с.з Ао2} ≥ k^II _отс I^I _{с.з Ао2} и I^II _{с.з Ао2} ≥ k^II _отс I^I _{с.з Ао2} ,     (11.2)

где k^II _отс =1,1.

Из двух значений принимается большее. Выдержка времени, как и выдержка времени второй ступени токовой защиты, обычно не превышает 0,5 с.

Третья ступень защиты—максимальная токовая защита нулевой последовательности. Из рассмотрения схемы радиальной сети (рис. 11.1, а) следует, что при повреждениях на землю в точках K₂ и К₃ ток нулевой последовательности с высшей стороны трансформаторов Т2 и Т3 отсутствует, поэтому защиту А₀4 и А₀5 можно выполнить без выдержки времени (t_{A о4} ^III ≈0; t_{A о5} ^III ≈0), а выдержки времени t_{A о1} ^III ; t_{A о2} ^III и t_{A о3} ^III защит А₀1—А₀3 выбрать по ступенчатому принципу. На рис. 11.1, а изображены также характеристики выдержек времени t_{A 1} ^III — t_{A 6} ^III токовых защит А1—А6. Из сопоставления характеристик следует, что токовую защиту нулевой последовательности можно выполнить более быстродействующей, чем токовую защиту с включением реле на полные токи фаз.

В нормальном режиме и при многофазных повреждениях в реле проходит только ток небаланса I _нб , поэтому ток срабатывания реле можно выбирать без учета рабочих токов по условию

I _с.р ^III > I _нб.рсч .                             (11.3)

При определении расчетного тока небаланса I _нб.рсч следует иметь в виду, что он возрастает с увеличением первичного тока, достигая максимального значения при трехфазных коротких замыканиях. Поэтому в случае, когда t_{A о2} ^III ≤ t_{A 3} ^III, ток срабатывания реле защиты нулевой последовательности должен быть больше максимального тока небаланса при внешних трехфазных коротких замыканиях, для того чтобы исключить неселективное действие защиты. Расчет тока небаланса довольно сложен. С некоторыми допущениями он определяется исходя из максимальной погрешности трансформаторов тока ε=10% и с учетом коэффициента их однотипности k _одн =0,5...1,0 по выражению

I _нб.рсч = I _{нб.рсч max} = k _одн (ε/100) I ⁽³⁾ _{к.вн max} / K_I ,                (11.4)

где I ⁽³⁾ _{к.вн max}—действующее значение установившегося тока внешнего трехфазного короткого замыкания при повреждении в начале следующего участка (для защиты А₀2 в точке K ₁ ^{( m )}).

Ток установившегося режима короткого замыкания принимается потому, что защита действует с выдержкой времени, достаточной для затухания апериодической составляющей.

В тех случаях, когда выдержка времени защиты не превышает t_с.з=0,3 с, при определении тока небаланса I_нб.рсч, следует учитывать и апериодическую составляющую тока короткого замыкания коэффициентом kuu:

I _{нб.рсч max} = k _одн k _ап (ε/100) I ⁽³⁾ _{к.вн max} / K_I ,             (11.5)

где k _ап =2 при времени действия защиты до t _с.з =0,1 с и k _ап =1,5 при 0,1≤ t _с.з ≤0,3 с.

В рассматриваемом случае при определении тока срабатывания реле коэффициент возврата k_B не учитывается, так как при внешних многофазных коротких замыканиях измерительный орган защиты не срабатывает, а при отключении внешних коротких замыканий на землю, при возникновении которых реле может сработать, ток нулевой последовательности исчезает. Таким образом,

I^III _ср = k^III _отс I _{нб.рсч max} ,                                  (11.6)

где k^III _отс =1,25—коэффициент отстройки, учитывающий погрешность и необходимый запас.

Чувствительность защиты можно повысить, если принять t^III_{Ao 2} > t^III_{A 3}. При этом внешние многофазные короткие замыкания отключаются со временем, меньшим времени действия токовой защиты нулевой последовательности. Поэтому достаточно ее ток срабатывания выбирать по расчетному току небаланса в нормальном режиме I _нб.рсч = I _нб.нрм . Ток I _нб.нрм значительно меньше тока I _{нб.рсч max}, поэтому при внешних многофазных коротких замыканиях измерительный орган защиты срабатывает. Для обеспечения возврата реле после отключения внешних коротких замыканий при выборе тока срабатывания учитывается коэффициент возврата k_B :

I^III _ср = k^III _отс I _нб.нрм / k_B                                                      (11.7)

В выражении (11.7) коэффициенты k _отс и k_B принимаются равными соответствующим коэффициентам максимальной токовой защиты с включением реле на полные токи фаз. Ток I _нб.нрм находят путем измерения; в зависимости от класса трансформаторов тока, однотипности их характеристик и нагрузки он находится в пределах 0,01< I _нб.нрм <0,1 А, т. е. ток срабатывания защиты значительно меньше рабочих токов защищаемой линии. Таким образом, по сравнению с защитами, включенными на полные фазные токи, защита нулевой последовательности может иметь меньшие выдержки времени и повышенную чувствительность. В связи с этим она находит широкое применение в сетях с глухо-заземленными нейтралями в качестве защиты от коротких замыканий на землю.