Розділ 11 захист шин

11.1. Особливості захисту шин

Одним з найважчих пошкоджень, які виникають в енергосистемах є к.з. на шинах. Такі пошкодження супроводжуються значним рівнем струмів к.з. Особливо великий рівень струмів є під час к.з. на шинах електричних станцій та потужних підстанцій.

Особливістю дії захисту під час к.з. на шинах є необхідність вимикати всі приєднання до цих шин, хоча на цих приєднаннях пошкоджень немає.

Основними причинами, які викликають пошкодження на шинах є:

• пошкодження трансформаторів струму та напруги;

• пошкодження колонок ізоляторів роз’єднувачів, вимикачів, які виникають в більшості випадків під час операцій з ними;

• перекриття шинних ізоляторів;

• помилки оперативного персоналу під час здійснення оперативних перемикань.

В більшості випадків шини охоплюються зонами захистів приєднань до них – захистами генераторів, трансформаторів, ліній. Наприклад, шини підстанції Б охоплюються захистом лінії А1. (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Вимкнення пошкодження на шинах захистом суміжного елемента

Але в цьому випадку відключення пошкодження на шинах протилежної підстанції в точці К1 буде здійснюватись з витримкою часу, тому що кінець лінії та шини протилежної підстанції попадають в зону дії другої (третьої) ступенів захисту лінії А1. В той же час, з умов забезпечення стійкості роботи системи, особливо в мережах 220 – 750 кВ, такі пошкодження повинні вимикатись з мінімальною можливою витримкою часу.

В багатьох випадках дія захисту приєднання до шин (лінії, трансформатора, генератора тощо) під час к.з. на шинах може бути неселективною. Так, під час виникнення пошкодження на II секції шин протилежної підстанції, точка К1 (рис. 11.2), захист лінії Л1 А1 подіє на вимкнення вимикача Q1, а захист лінії Л2 А2 подіє на вимкнення вимикача Q2. Таке вимкнення буде неселективним, тому що пошкоджена секція II підстанції Б буде вимикатись разом з непошкодженою секцією I. Для селективної роботи захисту необхідно, щоб захист подіяв на вимкнення вимикачів Q4, Q6.

Рис. 11.2 Неселективне вимкнення пошкодження на шинах захистом суміжного елемента

Таким чином, з умов забезпечення селективності та необхідної швидкодії під час виникнення пошкодження на шинах, необхідно встановлювати спеціальний захист шин. Цей захист повинен діяти на вимкнення всіх приєднань до цих шин.

11.2. Принципи виконання захисту шин

Для захисту шин застосовуються наступні види захистів:

• диференційний захист;

• струмова відсічка (неповний диференційний захист);

• дистанційний захист;

• максимальний струмовий захист.

З перелічених можливих захистів шин на практиці начастіше використовуються диференційний захист та струмова відсічка (неповний диференційний захист). Розглянемо більш детально особливості виконання цих захистів шин.

Диференційний захист

Диференційний захист шин (ДЗШ) виконується на порівнянні струмів всіх приєднань до шин як за величиною, так і за фазою. Принцип роботи ДЗШ ілюструється рис. 11.3.

Рис. 11.3. Диференційний захист шин

На кожному приєднанні до шин встановлені трансформатори струму, вторинні обмотки яких з’єднуються паралельно і до них приєднується вимірний орган захисту – реле КА. В такій схемі з’єднання через обмотку реле КА буде протікати сума струмів всіх приєднань

(11.1)

де – вторинні струми трансформаторів струму.

Під час к.з. на шинах (точка К1), струм к.з. в місці замикання визначається як

(11.2)

де – первинні струми , які протікають в лініях Л1 – Л3 до точки замикання К1. Тоді в обмотці реле, якщо не враховувати струми намагнічення трансформаторів струму буде протікати струм, пропорційний повному струму в місці к.з. У випадку, коли коефіцієнти трансформаторів струму всіх приєднань однакові і рівні , величина струму, яка буде протікати в обмотці реле під час к.з. на шинах визначатиметься з виразу

(11.3)

Таким чином, реле КА під час к.з. на шинах буде реагувати на повний струм в місці к.з., який в більшості випадків є значним і достатнім для спрацювання захисту. Про те, у випадку значних первинних струмах можливе глибоке насичення магнітопроводів трансформаторі струму, що суттєво спотворює їх вторинний струм. Тому потрібно застосовувати спеціальні міри, щоб враховувати процес насичення.

Під час зовнішнього к.з. (точка К2) згідно закону Кірхгофа . Тоді у випадку застосування ідеальних трансформаторів струму, струм в реле згідно (11.1) буде відсутній Насправді з врахуванням реальних характеристик намагнічування трансформаторів струму в обмотці реле буде протікати струм небалансу Цей струм небалансу залежить від струмів намагнічування трансформаторів струму, що утворюють плечі захисту, які в свою чергу визначаються характеристиками намагнічування їх магнетопроводів. Струм небалансу зростає із збільшенням струму намагнічення. Зменшення струму намагнічення можна досягти одним з наступним способів:

– застосовувати однотипні спеціальні трансформатори струму, в яких насичення магнітопроводу проходить за достатньо великих значень первинних струмів. З цією метою серійно виготовляються трансформатори струму серії Д, які призначені спеціально для застосування в схемах диференційних захистів;

– застосовувати трансформатори струму із збільшеним коефіцієнтом трансформації струму;

– застосовувати трансформатори струму з вторинним номінальним струмом 1А;

– зменшувати навантаження на трансформатори струму. З цією метою можна збільшувати січення провідників вторинних кіл;

– встановлювати проміжні трансформатори струму.

Струм спрацювання диференційного захисту вибирається з двох умов:

– відлагодження від максимального струму в захисті під час обривів у вторинних струмових колах

(11.4)

де – коефіцієнт відлагодження, рівний 1,2 – 1,25; – максимальний робочий струм найбільш завантаженого приєднання;

– відлагодження від струму небалансу під час зовнішнього к.з. в максимальному режимі:

(11.5)

де – коефіцієнт відлагодження, рівний 1,3; – похибка трансформатора струму, приймається рівною 10%; – коефіцієнт, який враховує вплив аперіодичної складової, величина якого залежить від типу реле. Наприклад, якщо застосовується реле серії РНТ, то його величина приймається рівною 1; – коефіцієнт однотипності, у випадку застосування однотипних трансформаторів струму, його величина приймається 0,5, в протилежному випадку – 1; – струм трифазного к.з. під час зовнішнього пошкодження в максимальному режимі, наприклад, точка К2, (рис. 11.3).

З двох умов вибирається більше значення.

Чутливість диференційного захисту перевіряється під час двофазного к.з. на шинах в мінімальному режимі

(11.6)

– струм двофазного к.з. під час пошкодження на шинах в мінімальному режимі, наприклад, точка К1, (рис. 11.3).

Для підвищення чутливості диференційного захисту рекомендується застосовувати реле з проміжними швидконасичувальними трансформаторами типу РНТ або реле з гальмуванням типу ДЗТ.

Виконання диференційного захисту шин визначається схемою первинних приєднань. У випадку, коли одна з систем шин робоча, а друга є резервною, то для захисту застосовується один комплект диференційного захисту. Якщо ж дві системи шин працюють з фіксованою кількістю приєднань, то захист здійснюється у вигляді трьох комплектів. Два комплекти захищають першу та другу системи шин. Третій комплект призначений для роботи, коли порушена фіксація приєднань.

Струмова відсічка (неповний диференційний захист)

Струмова відсічка застосовується в основному для захисту шин 6 – 10 кВ. Цей захист представляє собою комбіновану струмову відсічку з блокуванням за напругою.

На рис. 11.4 наведена схема струмової відсічки з блокуванням за напругою для захисту шин електростанції з генераторами потужністю більше 12 МВт.

Рис. 11.4. Струмова відсічка (неповний диференційний захист шин а) схема первинних з‘єднань; б) схема оперативних кіл

Струмове реле КА1 приєднується на різницю струмів тільки тих приєднань, по яких здійснюється живлення (звідси назва – неповний диференційний захист).

Орган мінімальної напруги виконаний на основі трьох реле мінімальної напруги, які контролюють напругу робочої та резервної секцій шин через трансформатори напруги TV1 та TV2.

Після к.з. на шинах (точка К2) спрацьовує струмове реле КА1 та орган мінімальної напруги – реле KV1 – KV3 повертаються у вихідний стан та замикають свої контакти. Після повернення хоча б одного реле напруги подається живлення на проміжне реле KL1 (рис. 11.4б), яке спрацьовує і замикає контакт в колі живлення обмотки проміжного реле KL2. Реле KL2 спрацює та подіє на кола вимкнення вимикачів Q1, Q2, Q3 та Q4.

Струм спрацювання вимірних органів струму вибирається з умови неспрацювання під час зовнішніх к.з. на відходячих лініях (точка К1 на рис. 11.4) з врахуванням струму навантаження ліній

(11.7)

– коефіцієнт відлагодження, рівний 1,2 – 1,3; – струм трифазного к.з. під час зовнішнього пошкодження в максимальному режимі, наприклад, точка К1; – сумарний струм навантаження всіх ліній, які відходять від шин.

Чутливість струмової відсічки перевіряється під час двофазного к.з. на шинах (на рис. 11.4 точка К2) в мінімальному режимі

(11.8)

Напруга спрацювання реле мінімальної напруги струмової відсічки визначається з двох умов:

– відлагодження від струму к.з. за реактором лінії (точка К1 на рис. 11.4)

(11.9)

де – струм спрацювання струмового захисту, визначений за (11.7); – реактанс реактора; – коефіцієнт відлагодження, рівний 1,3;

– відлагодження від режиму максимального навантаження:

(11.10)

де – номінальна напруга на шинах.

З двох умов вибирається менше значення.

Питання для самоперевірки

1. Які особливості дії захисту шин?

2. Чому для захисту шин необхідно застосовувати швидкодійні захисти?

3. На основі яких принципів виконують захисти шин?

4. Принцип дії та особливості диференцфйного струмового захисту шин.

5. Способи зменшення струму небалансу вимірного органу диференційного захисту шин.

6. Особливості виконання струмової відсічки шин.