Типы релейной защиты:

1) токовые защиты:

• максимальная токовая защита;

• токовая отсечка;

• токовая ступенчатая защита;

• токовая защита нулевой последовательности;

• токовая направленная защита;

2) дистанционная защита;

3) продольная дифференциальная токовая защита;

4) поперечная дифференциальная токовая защита;

5) направленная защита с высокочастотной блокировкой;

6) дифференциально-фазная защита.

Максимальная токовая защита отличает режим короткого замыкания от рабочего режима по значению тока, проходящего в защищаемом объекте, а селективность защиты обеспечивается выбором времени ее срабатывания. Максимальная токовая защита получила широкое распространение в радиальных электрических сетях с односторонним питанием напряжением ≤110 кВ.

Радиальная электрическая сеть с односторонним питанием

(ЭС – энергосистема; А,Б,В,Г – подстанции сети;

Q – выключатели, ТА – трансформаторы тока)

Трансформаторы тока, к которым подключены токовые измерительные органы защиты, установлены в начале защищаемой линии, т.е. вблизи шин питающей подстанции. При коротком замыкании в точке К ток короткого замыкания проходит по линиям АБ, БВ и ВГ, что приводит к срабатыванию токовых измерительных органов защит. Для обеспечения отключения только поврежденной линии последовательно расположенным защитам придается время срабатывания защиты, возрастающее по мере приближения к источнику питания:

Таким образом, при КЗ в точке К сработает РЗ линии ВГ и отключит выключатель Q3.

Ток срабатывания защиты выбирается по условию возврата защиты в исходное состояние после отключения внешнего КЗ:

где k_ОТС – коэффициент отстройки, больший 1 и учитывающий погрешности трансформаторов тока и аппаратуры защиты; k_З – коэффициент самозапуска электрических двигателей потребителей, получающих питание по защищаемой линии, больший 1 и учитывающий возрастание тока в линии при самозапуске этих двигателей после ликвидации режима КЗ; k_В – коэффициент возврата, равный отношению тока возврата измерительного органа защиты в исходное состояние к току срабатывания этого органа (k_В = 0,75 – 0,95); I_раб.max – максимальное значение тока в защищаемой линии в рабочем режиме работы.

Если защищаемая линия оборудована устройством автоматического повторного включения (АПВ), ток срабатывания защиты необходимо выбрать также по условию ее несрабатывания после успешного АПВ:

где, как правило, k'_З > k_З, так как перерыв питания электродвигателей в этом случае больше, что приводит к увеличению тока их самозапуска.

В качестве уставки защиты по току срабатывания принимается большее из двух полученных значений I_С.З.

Время срабатывания защит смежных участков сети отличается на ступень селективности Dt (0,3—1 с), учитывающую с некоторым запасом время отключения выключателя, а также погрешность во времени срабатывания и инерционность этих защит:

t_С.З.3 = t_С.З.4 + Dt

t_С.З.2 = t_С.З.3 + Dt

t_С.З.1 = t_С.З.2 + Dt

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности:

где I_Р.К – минимальное значение тока в реле измерительного органа защиты при КЗ, а:

где K_I – коэффициент трансформации трансформаторов тока защиты, а k_СХ – коэффициент, учитывающий схему подключения реле тока защиты ко вторичным обмоткам трансформаторов тока.

Коэффициент чувствительности определяется при КЗ в конце защищаемой линии, а также при КЗ в конце смежной линии и за трансформатором приемной подстанции, так как на максимальную токовую защиту обычно возлагаются функции резервной защиты при отказе защиты или выключателя смежного элемента сети. Считается, что защита обладает достаточной чувствительностью, если в первом случае k_Ч > 2, а во втором k_Ч > 1,2.

Максимальная токовая защита, как правило, имеет хорошую чувствительность. Ее недостатком является относительно большое время срабатывания.

Токовая отсечка, как и максимальная токовая защита, реагирует на увеличение тока в защищаемом объекте. Однако селективность токовой отсечки обеспечивается не выбором времени срабатывания защиты, а выбором тока срабатывания. Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от максимального значения тока внешнего короткого замыкания. Ниже на рисунке представлена зависимость тока короткого замыкания I_К от удаленности точки короткого замыкания К1 от шин питающей энергосистемы А.

Ток и время срабатывания токовой ступенчатой защиты линий АБ и БВ

радиальной электрической сети с односторонним питанием:

I_К – зависимость тока КЗ от места короткого замыкания;

I ^I_с.з t ^I_с.з – ток и время срабатывания I ступени защиты;

I ^II_с.з t ^II_с.з – ток и время срабатывания II ступени защиты;

I ^III_с.з t ^III_с.з – ток и время срабатывания III ступени защиты;

l ^I – зона действия I ступени защиты.

Токи срабатывания токовых отсечек линий АБ и БВ отстраиваются от токов короткого замыкания на шинах приемных подстанций:

где I_К2, I_К3 – ток при КЗ соответственно в точках К2 и КЗ; k_ОТС – коэффициент отстройки, больший 1;

I ^I_с.з1 , t ^I_с.з2 – ток срабатывания токовой отсечки соответственно линий АБ и АВ.

Ясно, что при таком токе срабатывания токовая отсечка нечувствительна к внешним коротким замыканиям, а следовательно, время ее срабатывания может быть равным нулю:

Чувствительность токовой отсечки оценивается длиной защищаемого участка линии I ^I_с.з, при коротком замыкании, на котором I_к > I ^I_с.з, т.е. токовая отсечка защищает не всю длину линии.

Таким образом, достоинства и недостатки токовой отсечки и максимальной токовой защиты противоположны. Токовая отсечка не имеет выдержки времени, но не чувствительна к коротким замыканиям в конце линии, а максимальная токовая защита обладает хорошей чувствительностью, но имеет значительное время срабатывания. Поэтому их целесообразно использовать совместно.

Токовая защита нулевой последовательности. Как показывает статистика, большинство коротких замыканий (до 70 – 80 %) являются короткими замыканиями на землю. В сети с заземленной нейтралью ток короткого замыкания проходит по контуру фаза – земля, а следовательно, сумма токов трех фаз не равна нулю, а равна утроенному значению симметричной составляющей тока нулевой последовательности:

Поскольку в рабочем режиме сумма токов трех фаз равна нулю, токовую защиту, реагирующую на ток нулевой последовательности, не следует отстраивать от тока рабочего режима, что делает такую защиту гораздо более чувствительной по сравнению с максимальной токовой защитой. Ток срабатывания токовой защиты нулевой последовательности отстраивается от тока небаланса, обусловленного погрешностями трансформаторов тока защиты, который тем больше, чем больше ток в первичных обмотках этих трансформаторов тока. Ток срабатывания токовой защиты нулевой последовательности линии электропередачи отстраивается от тока небаланса при КЗ за трансформатором приемной подстанции, что позволяет не отстраивать эту защиту по времени срабатывания от времени срабатывания защит потребителей электроэнергии и делает ее более быстродействующей по сравнению с максимальной токовой защитой.

Обычно реализуется ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, в которой в качестве первых ступеней используются токовые отсечки нулевой последовательности без выдержки и с выдержкой времени.

Замыкание одной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью вызывает прохождение через место замыкания относительно небольшого тока, обусловленного емкостью электрической сети на землю, и в большинстве случаев не требует немедленного отключения. Ток срабатывания токовой защиты в сети с изолированной нейтралью отстраивается от емкостного тока защищаемого объекта, защита действует, как правило, не на отключение защищаемого объекта, а на сигнал.

Токовая ступенчатая защита. В качестве первой ступени защиты используется токовая отсечка без выдержки времени. В качестве второй ступени устанавливается токовая отсечка с выдержкой времени, назначением которой является быстрое отключение линии при возникновении КЗ вне зоны действия первой ступени. Ток и время срабатывания второй ступени защиты отстраиваются от тока и времени срабатывания первой ступени защиты смежной линии

Вторая ступень защиты считается чувствительной, если при коротком замыкании в конце линии ее коэффициент чувствительности k_Ч ^II > 1,2.

В качестве третьей ступени используется максимальная токовая защита, назначением которой является резервирование первых ступеней своей защиты, а также отказов защит и выключателей смежных участков сети.

Токовая направленная защита. В радиальной сети с несколькими источниками питания, как и в кольцевой сети с одним источником питания, максимальная токовая защита не может быть использована, так как обеспечить селективность этой защиты путем выбора времени срабатывания оказывается невозможным. При коротком замыкании на линии БВ (точка К1) время срабатывания защиты 2 должно быть больше времени срабатывания защиты 3, а при коротком замыкании на линии АБ (точка К2) для селективного отключения поврежденного объекта защита 2 должна срабатывать раньше защиты 3. Максимальная токовая защита в такой сети может быть селективной только при наличии, кроме измерительного органа тока, органа направления мощности, который разрешает защите срабатывать только при направлении мощности короткого замыкания от шин в линию.