6.3. Токовые защиты

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 (рис. 6.2).

Рис.6.2. Радиальная электрическая сеть с односторонним питанием: ЭС – питающая энергосистема; А,Б,В,Г – подстанции сети; АБ, БВ, ВГ – линии электропередачи;

Q1-Q4,Q2^’,Q3^’,Q4^’ – выключатели; ТА1, ТА2, ТА3, ТА4 – трансформаторы тока (источники информации для устройств релейной защиты линий электропередачи)

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.

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. На рис. 6.3 изображена зависимость тока короткого замыкания I_к от удаленности точки короткого замыкания К1 от шин питающей энергосистемы А.

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

Рис.6.3. Ток и время срабатывания токовой ступенчатой защиты линий АБ и БВ радиальной электрической цепи с односторонним питанием: I_к – зависимость тока КЗ от места короткого замыкания; , - ток и время срабатывания I ступени защиты;

, - ток и время срабатывания II ступени защиты; - время срабатывания III ступени защиты; – зона действия I ступени защиты.

 

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 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 (рис. 6.3):

Вторая ступень защиты считается чувствительной, если при коротком замыкании в конце линии ее коэффициент чувствительности.

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 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 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 на рис. 6.4) 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 (см. стрелки на рис. 6.4).

Рис.6.4. Радиальная электрическая сеть с двусторонним питанием: ЭС1, ЭС2 – питающие энергосистемы; 1, 2, 3, 4, 5, 6 – токовые направленные защиты соответственно линий электропередачи АБ, БВ, ВГ

Наличие органа направления мощности подразделяет защиты сети на две группы — нечетную (1, 3, 5) и четную ( 2, 4, 6).

Ток срабатывания токовой направленной защиты определяется, как и ток срабатывания максимальной токовой защиты. Однако под I_{раб max} понимается максимальный ток в рабочем режиме работы сети, проходящий в направлении действия защиты.

Основным недостатком защиты является наличие «мертвой зоны», т.е. участка защищаемой линии, при КЗ на котором защита отказывает в действии из-за малого значения напряжения, подаваемого на вход органа направления мощности. Однако при включении реле по 90-градусной схеме, предусматривающей подачу на реле тока фазы и разности напряжений двух других фаз (например, I_р = I_А, U_р = U_B - U_C), «мертвая зона» имеет место только при металлическом трехфазном КЗ.

Токовые направленные защиты, как и ненаправленные токовые защиты, стараются выполнять трехступенчатыми. Причем в качестве первой ступени защиты лучше использовать ненаправленную токовую отсечку, если ее зона действия перекрывает «мертвую зону» направленной защиты.