1.1.3. Общие требования к релейной защите
Ко всем устройствам релейной защиты предъявляются основные общие требования:
- быстродействие;
- селективность;
- чувствительность;
- надежность.
Рассмотрим каждое из этих требований.
Быстродействие – это способность защиты действовать быстро. В зависимости от места установки защиты время ее действия может быть различным. Например, релейная защита линий питающей сети напряжением 220, 330 кВ должна иметь время срабатывания порядка 0,04 с, а релейная защита линии распределительной сети напряжением 3, 6, 10, 35 кВ может иметь время срабатывания до 4 с.
Селективность или избирательность релейной защиты – это способность системы защит отключать только поврежденный элемент.
Чувствительность – это способность защиты чувствовать ток короткого замыкания, т. е. способность защиты реагировать на минимальные значения тока короткого замыкания.
Надежность по отношению к любому устройству – это способность устройства выполнять свои функции в течение заданного срока службы. В отношении релейной защиты требование надежности имеет свою специфику – действует принцип «от простого к сложному», т. е. если простое устройство отвечает всем требованиям, то незачем его усложнять, ибо в этом случае устройство будет надежным.
1.1.4. Принципы действия и виды защит
Выполнение защиты зависит от места установки и требований к отключению тока КЗ.
Известно, что короткое замыкание может быть трехфазным, двухфазным и однофазным. При этом ток КЗ определяется сопротивлением петли короткого замыкания и его величина бывает весьма значительной. Вместе с тем, в некоторых случаях в месте замыкания может проходить ток небольшой величины. Это случай так называемого простого замыкания, который имеет место при замыкании одной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью (3-6-10-35 кВ – распределительная сеть России).
В зависимости от того, при каком виде замыкания должна срабатывать релейная защита, она так и называется, например, защита от простого замыкания или защита от однофазных коротких замыканий.
Питающая сеть. Как известно, питающей сетью называется такая электрическая сеть, все точки которой расположены близко (за малым сопротивлением) к источникам электроэнергии. В этом случае любое КЗ в питающей сети грозит нарушением устойчивости параллельной работы электростанций и может привести к развитию системной аварии с отключением большого района. Для предотвращения такой тяжелой аварии следует отключить КЗ как можно скорее и с высокой надежностью.
Для этого в питающей сети следует устанавливать быстродействующую защиту и обеспечить высокую надежность путем применения основного и резервного комплектов защиты.
Распределительная сеть. Эта сеть служит для распределения энергии между потребителями и все точки сети расположены далеко (за большим сопротивлением) от источников электроэнергии. Здесь КЗ вызывает совсем иные последствия: термическое действие тока КЗ, электродинамическое действие тока КЗ, снижение напряжения. Это тоже серьезная авария, но она не имеет столь катастрофических последствий как в питающей сети. Поэтому можно допустить снижение быстродействия релейной защиты и снижение ее надежности.
Соответственно виды и типы устройств релейной защиты, применяемые в этих сетях, будут различными. Объект определяет защиту.
Современная техника релейной защиты использует три основных принципа:
- максимальный токовый;
- дифференциальный;
- дистанционный.
Максимальный токовый принцип основан на том, что устройство релейной защиты измеряет ток защищаемого элемента, реагирует на его возрастание и срабатывает при достижении определенного уровня этого тока.
Дифференциальный принцип основан на том, что защита реагирует на разность токов в «плечах» защиты.
Дистанционный принцип основан на измерении расстояния (дистанции) от места установки защиты до точки КЗ.
Краткая классификация устройств релейной защиты.
1. По принципу действия в соответствии с изложенным: максимальная токовая, дифференциальная, дистанционная.
2. По области применения: релейная защита сетей, релейная защита оборудования.
3. По виду КЗ, от которого защищает: релейная защита от междуфазных КЗ, релейная защита от однофазных КЗ, релейная защита от простых замыканий.
4. По способу воздействия на выключатель: с реле прямого действия, с реле косвенного действия.
5. По способу получения информации: с прямым включением в сеть, с включением через трансформаторы тока.
6. По виду элементной базы: релейно-контактная, электронная аналоговая, цифровая.
7. По виду связи с другими устройствами: автономная, централизованная.
Распределительная сеть – это сеть напряжением 3-6-10-35 кВ с изолированной нейтралью и сеть 110 кВ с эффективно заземленной нейтралью. В сетях 3-6-10-35 кВ возможны только междуфазные КЗ. Сеть имеет, как правило, один источник питания.
Распределительная сеть может быть магистральной, радиальной, смешанной. Возможны особые участки сети: кольцевой, параллельные линии.
В распределительной сети применяются простые виды защит от междуфазных коротких замыканий. Самым массовым видом защит является максимальная токовая.
На рис. 1.1.5 показан фрагмент радиальной сети с одним источником питания.
Рис. 1.1.5. Релейная защита линий
На выключателях Q1 и Q2 устанавливаются устройства релейной защиты – максимальная токовая защита (МТЗ). Схема последней приведена на рис. 1.1.6 (в релейно-контактном исполнении).
В левой части рисунка приведена схема цепей переменного тока, в правой - цепи постоянного тока.
Рис. 1.1.6. Схема МТЗ линии
Условные обозначения:
Q1 – высоковольтный выключатель;
ТА1, ТА2 – трансформаторы тока;
КА1, КА2 – реле максимального тока;
КТ – реле времени;
КН – указательное реле;
KL – промежуточное реле;
SQ1 – вспомогательный контакт выключателя Q1 (блок-контакт);
УАТ1 – катушка отключения выключателя Q1.
В состав МТЗ входят элементы, показанные на участке, ограниченном пунктирной линией.
В исходном состоянии при отсутствии повреждения на защищаемой линии первичные обмотки трансформаторов тока ТА1 и ТА2 обтекаются током нагрузки, через вторичные обмотки текут соответствующие вторичные токи, которые малы для срабатывания токовых реле КА1 и КА2. Все контакты реле МТЗ находятся в разомкнутом состоянии. Блок-контакт выключателя SQ1 замкнут, т.к. включены главные контакты выключателя Q1. Защита бездействует. Защита находится в режиме ожидания короткого замыкания.
Короткое замыкания любого вида (междуфазное) приводит к тому, что возрастает ток во вторичных обмотках трансформаторов тока, замыкается контакт КА1 (КА2) или оба эти контакта, появляется ток в обмотке КТ, спустя заданную выдержку временем замкнется контакт КТ, затем сработает реле KL, контакт KL замкнется, появится ток в обмотке УАТ1, выключатель отключится.
Цепи постоянного тока подключаются к источнику постоянного оперативного тока – специальному источнику, от которого питаются устройства релейной защиты, управления и сигнализации. Этот источник должен обеспечивать электроэнергией своих потребителей в любых условиях, в том числе и при коротких замыканиях.
Нормальное функционирование защиты обеспечивается правильным выбором параметров защиты. Прежде всего, это выбор (расчет) тока срабатывания защиты, тока срабатывания реле.
Ток срабатывания защиты – это минимальное значение тока защищаемого элемента (первичный ток), при котором защита срабатывает.
Ток срабатывания защиты рассчитывается таким образом, чтобы защита не срабатывала при нормальном режиме работы защищаемого элемента и срабатывала при КЗ.
Расчет ведется по формуле:
Icз
=
,
где Kн – коэффициент надежности,
Kс.зап – коэффициент самозапуска электродвигателей,
Kв – коэффициент возврата реле тока,
Iраб.макс – рабочий максимальный ток защищаемого элемента (линии).
Kн = 1,2 учитывает погрешность в определении рабочего максимального тока; Kс.зап =1,5÷3 учитывает увеличение тока в защищаемом элементе после отключения КЗ на соседнем элементе и самозапуске остановившихся электродвигателей; Kв = 0,85÷0,96 учитывает тот факт, что срабатывание реле тока происходит, как правило, при одном токе, а его возврат осуществляется при меньшем токе.
Таким образом, ток срабатывания защиты оказывается значительно больше тока рабочего максимального.
Ток срабатывания реле рассчитывается по формуле
Icp
=
,
где nТА – коэффициент трансформации трансформатора тока,
Kсх – коэффициент схемы, определяемый схемой соединения трансформаторов тока и реле тока в схеме защиты.
Селективность МТЗ обеспечивается согласованием защит смежных линий по току и времени.
Согласование по току срабатывания обеспечивается тем, что время срабатывания защиты предыдущей линии делается больше тока срабатывания защиты последующей линии.
Времена срабатывания МТЗ растут в направлении от электроприемника к источнику. Например, для линий, показанных на рис. 1.1.5 время t1 срабатывания защиты Q1 больше времени t2 срабатывания защиты Q2.
t1 = t2 + Δ t,
где Δ t – ступень селективности, учитывающая время отключения выключателя и погрешности во временах срабатывания защит.
Защита, установленная на выключателе Q1, защищает линию W1, а защита Q2 защищает линию W2. Защита Q1 защищает также линию W2. В случае отказа защиты Q2 при КЗ на W2 защита Q1 работает как резервная. Таким образом, каждая из защит имеет основную зону и зону резервирования.
Чувствительность защиты к короткому замыканию оценивается коэффициентом чувствительности в основной зоне и в зоне резервирования. Общая формула для определения коэффициента чувствительности
Кч
=
,
где IКЗ – минимальный ток КЗ в конце защищаемой линии.
Для защиты участка сети, показанного на рис. 1.1.5, чувствительности рассчитываются следующим образом:
Кч
=
;
Кч.рез
=
.
В этих формулах в числителе ток двухфазного КЗ в минимальном режиме системы – это минимально возможный ток КЗ в соответствующей точке.
Согласно требованиям ПУЭ коэффициент чувствительности Kч в основной зоне должен быть не менее 1,5, т. е. Kч ≥ 1,5, а в зоне резервирования Kч.рез ≥ 1,2. В этом случае защита пригодна к применению.
Основной недостаток МТЗ – малое быстродействие. Для ускорения отключения коротких замыканий дополнительно к МТЗ применяется токовая отсечка (ТО), защита, основанная также на максимальном токовом принципе, но в отличие от МТЗ ток срабатывания ТО отстраивается от тока короткого замыкания в конце защищаемой линии
Iсзо=Кн I(3)КЗmax,
где I(3)КЗmax– максимально возможный ток КЗ в конце линии, т.е. ток трехфазного КЗ в максимальном режиме системы;
Kн – коэффициент надежности (Kн = 1,25…1,3).
Если снова обратиться к рис. 1.1.5 , то на выключателях Q1 и Q2 должны быть установлены помимо МТЗ токовые отсечки с токами срабатывания защит:
IсзоQ1=Кн I(3)КЗmax К1,
IсзоQ2=Кн I(3)КЗmax К2.
Из этих формул следует, что зоны действия токовых отсечек составляют только часть линий, на которых они установлены. А это, в свою очередь, позволяет сделать их мгновенно действующими, т.е. ускорить отключение близких КЗ.
В целом на каждом выключателе получается двухступенчатая токовая защита: первая ступень – токовая отсечка, действующая мгновенно, вторая ступень – МТЗ, действующая с выдержкой временем.
Дифференциальная защита
Этот вид защиты осуществляет сравнение токов в «плечах». Каждое плечо образовано трансформатором тока. Принцип действия такой защиты демонстрируется рис. 1.1.7, где обозначено: ТА1, ТА2 – плечи защиты, КА – реле тока (реагирующий орган).
Плечи защиты симметричны – ТА1, ТА2 имеют одинаковые коэффициенты трансформации, поэтому в нормальном режиме и в режиме внешних коротких замыканий токи в контурах защиты одинаковы и находятся в противофазе. Результирующий ток в реле КА равен нулю или ничтожно мал. Токи показаны стрелками. В реальных схемах в реле протекает ток небаланса Iнб. Причина его появления – наличие погрешностей в ТА1 и ТА2 как по амплитуде, так и по фазе.
Рис. 1.1.7. Дифференциальная защита линии
Зона действия дифзащиты – вся линия, т.е. участок между местами установки трансформаторов тока. Это определяет замечательное свойство защиты – абсолютную селективность. Следовательно, защиту не нужно согласовывать с другими защитами и она получается мгновенно действующей.
Ток срабатывания такой защиты не нужно как в случае с МТЗ отстраивать от полного тока линии, его следует отстроить от тока небаланса:
Iср = Кн Iнб,
где Kн – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2.
У данного вида защиты имеется существенный недостаток – необходимость прокладки проводов вдоль всей длины линии. Это сопряжено с дополнительными капитальными вложениями, снижает надежность защиты и резко ухудшает условия работы трансформаторов тока, что заставляет вводить в схему защиты дополнительные промежуточные трансформаторы.
В связи с этим продольная дифференциальная защита линии рекомендуется к применению на коротких линиях (10-20 км).