Переменный оперативный ток.

Максимальная токовая защита

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ Одним из признаков возникновения к. з. является увеличение тока в линии. Этот признак используется для выполнения защит, называемых токовыми. Токовые защиты приходят в действие при увеличении тока в фазах линии сверх определенного значения. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, служат макси¬мальные токовые реле .    Токовые защиты подразделяются на максимальные токовые защиты и токовые отсечки. Главное . различие между этими защитами заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия максимальных защит достигается с по¬мощью выдержки времени. Селективность действия токовых отсе¬чек обеспечивается соответствующим выбором тока срабатывания.

ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ПОМОЩЬЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

   Максимальные токовые защиты являются основным видом за¬щит для сетей с односторонним питанием. В сетях более сложной конфигурации максимальная защита применяется как вспомога¬тельная в отдельных случаях.      В сетях с односторонним питанием максимальная защита должна устанавливаться в начале каждой линии со стороны источника пи-•тания (рис. 4-1, а). При таком расположении защит каждая линия имеет самостоятельную защиту, отключающую линию в случае по¬вреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее подстан¬ции.    При к. з. в какой-либо точке сети, например в точке Ki (рис. 4-1, а), ток к. з. проходит по всем участкам сети, расположен¬ным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все защиты (/, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только защита 4, установленная на поврежденной линии.    Для обеспечения указанной селективности максимальные защи¬ты выполняются с выдержками времени, нарастающими от потре¬бителей к источнику питания, как это показано на рис. 4-1, б. При соблюдении этого принципа в случае к. з. в точке Ki раньше других сработает защита 4 и произведет отключение поврежденной линии. Защиты /, 2 и 3 вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при к. з. в точке /С2 быстрее всех сработает защита 3, а защиты / и 2, имеющие большее время, не подействуют.    Рассмотренный принцип подбора выдержек времени называется ступенчаты м. В сетях с двусторонним питанием достигнуть селективного дей¬ствия максимальной защиты только путем подбора выдержек вре¬мени, как правило, не удается; в этих сетях вместо максимальной токовой защиты применяют более сложные направленные защиты.

СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

  а) Разновидности схем максимальной защиты Максимальные защиты выполняются трехфазными и двухфазны¬ми, прямого и косвенного действия .    По способу питания оперативных цепей максимальные защиты косвенного действия делятся на защиты с постоянным и переменным   оперативным током. По характеру зависимости времени действия реле от тока мак¬симальные защиты подразделяются на защиты с независимой и   зависимой   характеристиками.    Максимальные защиты прямого действия и на переменном опе¬ративном токе имеют существенные отличия в выполнении опера¬тивных цепей, применяемой аппаратуре и в расчете параметров, поэтому они рассматриваются отдельно .   б) Схемы  трехфазной  защиты  на  постоянном   оперативном токе    Защита с независимой выдержкой времени (рис. 4-2). В трехфаз¬ных защитах трансформаторы тока и обмотки токовых реле соеди¬няются по схеме полной звезды б. Основными элементами схемы максимальной защиты (рис. 4-2) являются: токовые реле /, срабатывающие при появлении тока к. з.   и выполняющие функции пус¬кового органа защиты, и реле времени 2, создающее вы¬держку времени и выполняющее функции органа времени. Кроме основных, в схеме имеются и вспо¬могательные реле; к ним относятся промежуточное реле 3 и указатель¬ное реле 4.    При возникновении к. з.сраба¬тывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток к. з. Кон¬такты всех токовых реле соединены параллельно, поэтому, при сраба¬тывании любого токового реле за¬мыкается цепь обмотки реле вре¬мени 2. Через заданный интервал времени контакты реле времени замыкаются,   и   приводят  в  действие промежуточное реле 3. Последнее срабатывает мгновенно и по¬дает ток в катушку отключения выключателя 6 через блокировоч¬ный контакт 5 (см. § 1-8).    Промежуточное реле 3 устанавливается в тех случаях, когда реле времени не может замыкать цепь катушки отключения из-за недостаточной мощности своих контактов.    Указательное реле 4 включается последовательно с катушкой от¬ключения. При появлении тока в этой цепи указательное реле сраба¬тывает, его флажок выпадает, фиксируя, таким образом, действие максимальной защиты и появление тока в катушке отключения.    Блокировочный контакт привода выключателя 5 служит для раз¬рыва тока катушки отключения, так как контакты промежуточных реле не рассчитываются на размы-каниеч этой цепи. Блокировочный контакт должен размыкаться рань¬ше, чем произойдет возврат про¬межуточного реле.    Время действия рассмотренной защиты определяется выдержкой времени, установленной на реле времени, и не зависит от величины тока к. з., поэтому такая защита называется защитой с не¬зависимой выдержкой времени и имеет характери¬стику в виде прямой / на рис. 4-3.    Защита с зависимой характе¬ристикой. Наряду с независимой защитой применяется максималь¬ная защита с зависимой и ограни¬ченно зависимой характеристиками t-== f (!) (кривые 2 и Зна рис. 4-3). Оба вида зависимых защит выпол¬няются при помощи токовых реле, работающих не мгновенно, а с вы- держкой времени, зависящей от величины тока. Примером такого реле является реле типа РТ-80.    Схема зависимой защиты с реле типа РТ-80 изобра¬жена на рис. 4-4. В этой схеме отсутствует реле времени, а также промежуточное и указательное ре¬ле, так как реле типа РТ-80 имеет контакты достаточной мощности и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле.    В отличие от защиты с незави¬симой характеристикой (прямая 1 на рис. 4-3, а) защита с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3) действует при токах /р = (1-т-2) /сз со значительно большей выдерж¬кой времени, чем при к. з., что улучшает отстройку защиты от кратковременных перегрузок. Кроме того, защиты с зависимой характеристикой позволяют ускорить отключение при повреждении в начале линии (точка К\ на рис. 4-3, б), если ток при к. з. в К\ значительно больше, чем при к. з. в конце линии в точке /С2. Однако согласование выдержек     времени независимых защит значительно проще  по¬этому зависимые защиты следует применять только в случаях яв¬ного преимущества.    Трехфазные схемы максимальной защиты, приведенные на рис. 4-2 и 4-4, реагируют на все виды к. з., включая и однофазные, и поэтому их применяют в сети с глухо заземленной нейтралью, где возможны как междуфазные, так и однофазные к. з.    В сети с изолированной нейтралью трехфазные схемы не рекомен¬дуются к применению по следующим причинам:  1.  Трехфазные схемы дороже двухфазных, так как для их выполнения требуется больше оборудования и соединительных проводов. ,  2.  Трехфазные защиты в большем числе случаев, чем' двухфаз¬ные, работают неселективно при двойных замыканиях на землю.   в) Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе    В тех случаях, когда максимальная защита должна действовать только при междуфазных к. з., применяются двухфазные схемы с двумя или одним реле. Двухрелейная схема с независимой характеристикой (рис. 4-5, а).    в). Элементы схемы и их назначение такие же, как в трехфаз¬ной схеме на рис. 4-2. Достоинством двухрелейной схемы является то, что она: 1) реагирует (так же как и трехфазная) на все междуфазные к. з. на линиях;  2)  при замыканиях на землю в двух разных точках сети с изо¬лированной нейтралью работает селективно в большем числе слу¬чаев, чем трехфазная схема (см. § 4-4);  3)  экономичнее трехфазной схемы, так как для ее выполнения требуется меньше оборудования и проводов. К недостаткам двухфазной схемы нужно отнести ее меньшую чув¬ствительность (по сравнению с трехфазной схемой) при двухфазных к. з. за трансформатором с соединением обмоток Л/Д- Как видно из рис. 3-17, а, при двухфазном к. з-. на стороне Д ток в одной фазе Та же самое получается и при соединении обмоток трансформа¬тора А/л в случае двухфазного к. з. на стороне звезды.    При трехфазной схеме одно из реле защиты питается большим  в то время как при двухфазной схеме в одном из трех возможных случаев двухфазного к. з. (АВ, ВС, С А) трансфор¬маторы тока защиты оказываются на фазах с меньшими токами к.з.    Поэтому двухфазная защита при двухфазных к. з. за трансформаторами  имеет в 2 раза меньшую чувствительность, чем трехфазная защита.    При необходимости чувствительность двухфазной схемы можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. Таким образом, с дополнительным реле двухфазная схема ста¬новится равноценной по чувствительности с трехфазной.    Вследствие отмеченных выше положительных свойств двухфаз¬ные схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные к. з. Двухфазные схемы приме¬няются в качестве защиты от междуфазных к. з. и в сетях с глухоза-земленной нейтралью, при этом для отключения однофазных к. з. устанавливается дополнительная защита, реагирующая на ток ну¬левой последовательности.    Однорелейная схема (рис. 4-5, б). Защита состоит из тех же элементов, что и предыдущая схема. Токовое пусковое реле Т одно, оно включается на разность токов двух фаз /р = 1а — 1 в и реаги¬рует на все случаи междуфазных к. з. (полной и неполной звезды) Преимуществом схемы является наименьшее число токовых реле и соединительных проводов, необходимых для ее выполнения (одно реле и два токовых провода). К недостаткам, ограничивающим применение схемы, нужно от¬нести:  1) меньшую чувствительность по сравнению с двухрелейной схе¬мой при к. з. между фазами АВ и ВС . Этот недостаток имеет значение при малой кратности токов к. з., когда /к близко к току нагрузки;  2)  недействие защиты при одном из трех возможных случаев к. з. за трансформатором с соединением обмоток;  3)  при неисправности единственного токового реле или прово¬дов, связывающих его с трансформаторами тока, защита откажет в действии при к. з. Двухрелейная схема (рис. 4-5, а) не имеет такого недостатка, так как при трехфазных к. з. и двухфазных между А и С в этой схеме работают два реле и поэтому обрыв одного провода не приведет к отказу защиты.    Первый недостаток не позволяет применять однорелейные схемы в сети с малой кратностью токов к. з. Второй исключает применение схемы в сетях, где имеются трансформаторы с соединением обмоток А/А. Третий ограничивает применение однорелейной защиты в се¬тях, где отказ защиты может отразиться на электроснабжении боль¬шого участка сети. Однорелейная схема находит применение в распределительных сетях 6—10 кв и для защиты электродвигателей. В сетях 35 кв и выше из-за указанных недостатков однорелейная схема почти не применя¬ется.    Двухфазная защита с зависимой характеристикой. Токовые цепи этой защиты выполняются так же, как и у защиты с независимой характеристикой. Токовое реле имеет зависимую характеристику, в качестве него используется реле типа РТ-80.    Схемы защит аналогичны схемам на рис. 4-5, а и б, за исключе¬нием того, что в них отсутствуют реле времени и указательное реле. Все сказанное о двухфазных схемах с независимой характеристикой относится и к схемам с зависимой характеристикой.

ТОК СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ

   Исходным для выбора тока срабатывания максимальной токовой защиты от к. з. является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях, но в то же время не действовала при максималь¬ных токах нагрузки и ее кратковременных толчках, вызываемых пуском и самозапуском двигателей, колебанием нагрузки потреби¬телей и другими причинами.    Излишняя чувствительность защиты из-за недостаточной от¬стройки ее от токов нагрузки может приводить к неправильным от¬ключениям при неопасных перегрузках, что наносит ущерб потре¬бителям. Слишком чувствительная защита сама становится ис¬точником аварий и перебоев в питании пощребителей.    Из этого следует, что главная задача при выборе тока Срабаты¬вания состоит в надежной отстройке защиты от токов нагрузки. Для этой цели необходимо выполнить два условия:  1)   Токовые реле защиты не должны приходить в действие при максимальном рабочем токе нагрузки /р,макс, для чего ток  срабатывания  защиты1 /сз должен быть больше максималь¬ного рабочего тока нагрузки:  2)  Токовые реле, сработавшие при внешнем к. з., должны надеж¬но возвращаться в исходное положение после отключения к. з. и ( Здесь и в дальнейшем под током срабатывания защиты подразумевается наименьший первичный ток в фазе линии, нербходимый для действия защиты.) снижения тока до максимального тока нагрузки. Так, например, при к. з. в точке К сети (рис. 4-8) срабатывают токовые реле защит 1 и 2. После отключения повреждения защитой 2 прохождение тока к. з. прекращается и пришедшие в действие токовые реле защиты / должны возвратиться в начальное положение, так как иначе про¬изойдет неправильное отключение непо¬врежденной линии. Поэтому ток возврата реле должен быть больше тока нагрузки линии, проходящего через защиту / после отключения к. з. Этот ток в первый момент времени после отключения к. з. имеет повышенное значе¬ние из-за пусковых токов электродвига¬телей.      Асинхронные электродвигатели, со¬ставляющие значительную часть нагрузки, во время к. з. тормозятся вследствие воз¬никающего при к. з. понижения напряже¬ния. После отключения к. з. напряжение восстанавливается и все оставшиеся в работе электродвигатели (часть неответственных электродвигателей отключается защитой от понижения напряжения) самозапускаются, потребляя по¬вышенный пусковой ток (рис. 4-9). Этот ток /3 постепенно затухает, и в линии устанавливается рабо¬чий ток, который в худшем случае может иметь максимальное значе¬ние /р.макс. Увеличение /р.макс, вызванное самозапуском двигателей, оцени¬вается коэффициентом запуска k3. Учет самозапуска двигателей яв¬ляется обязательным.    При выполнении условия (4-2) выполняется также условие (4-1), так как ток возврата максималь ных реле всегда меньше тока сра¬батывания.      Поэтому для отстройкь защиты от нагрузки за исходное принимается условие (4-2).    Коэффициент запаса fe3an учитывает возможную погрешность в величине тока возврата реле и принимается равным 1,1—1,2. Ток срабатывания защиты находится из соотношения, определяющего связь между токами возврата и срабатывания токовых реле. Подставляя в это выражение значение /в03 из (4-3), находим соответствующий ему ток срабатывания:      Вторичный ток срабатывания реле /ср на¬ходится с учетом коэффициента трансформации трансформаторов тока и схемы включения реле, характеризуемой коэф¬фициентом   схемы йсх:    Для схемы соединения в звезду (полную или непол¬ную) ?сх=1. Для схемы с включением реле на разность токов двух фаз kcx = ]/3. Ток сраба¬тывания обратно пропорционален /гв03, поэтому в целях уменьшения /с 3 стремятся применять токовые реле с высоким коэффициентом возврата: примерно 0,85 и выше.    Существенное значение для надежной отстройки защиты от на¬грузки имеет правильная оценка величины /р макс.    Определяя максимальное значение тока нагрузки, нужно учиты¬вать тяжелое, но в то же время реально возможное увеличение на¬грузки, обычно возникающее в ре¬зультате нарушения нормальной схемы сети. Например, при двух параллельных линиях (рис. 4-10, а) необходимо учитывать, что в слу¬чае автоматического отключения одной из них нагрузка на остав¬шейся линии удвоится. При нали¬чии АВР, включающего выключа¬тель В (рис. 4-10, б), необходимо   предусматривать наброс мощности на линию Л1 при отключении ЛИ и наоборот. При наличии АПВ (рис. 4-10, в) необходимо учиты¬вать самозапуск электродвигателей после повторного включения линий от АПВ.    Чувствительность защиты. Ток срабатывания, вы¬бранный по условию отстройки от нагрузки, проверяется по условию чувствительности защиты. Проверка ведется по минимальному зна¬чению тока /к.з.мин при повреждении в конце зоны защиты. Зона действия максимальной токовой защиты должна охватывать защи- щаемую линию и следующий второй участок, т. е. линию Л2 и трансформаторы, отходящие от шин приемной подстанции (рис. 4-11). Минимальный ток рассчитывается для реального минимального ре¬жима на электростанциях и в сетях, питающих линию. Чувствитель¬ность защиты оценивается коэффициентом чувствительности:      Коэффициент чувствительности для защищаемой линии счита¬ется допустимым, если /к.3.мин в 1,5 раза больше тока срабатывания защиты. Снижение k4 ниже 1,5 не рекомендуется, так как действи¬тельный ток в реле при к. з. может оказаться меньше расчетного ^к.з.мин из-за неточности расчета токов к. з., влияния сопротивле¬ния в месте повреждения (не учитываемого при расчете) и погреш¬ности трансформаторов тока, уменьшающей вторичный ток. При к. з. на резервируемом участке согласно ПУЭ допускаются Кч = 1.2.

ВЫДЕРЖКА ВРЕМЕНИ ЗАЩИТЫ

 а) Ступень времени Для обеспечения селективности выдержки времени максималь¬ных защит выбираются по ступенчатому принципу (рис. 4-12). Раз¬ница между временем действия двух смежных защит (например, линий А и В на рис. 4-12) назы¬вается ступенью времени или сту¬пенью селективности: Величина   ступени  At   должна быть такой,  чтобы   при   коротком замыкании  на  каком-нибудь   уча¬стке сети (например, на линии В) защита предыдущего участка (т. е.   на линииА) не успевала сработать. Выясним, от чего зависит величина At. При к. з. на линии В защита линии Л работает в течение времени, пока проходит ток к. з.. Это время равно:   где ?3(В)— выдержка времени защиты В; 1п{в) — погрешность в сто¬рону замедления реле времени защиты В; taiB) — время отключения выключателя В с момента подачи импульса в катушку отключения до разрыва тока к. з. контактами выключателя. Следовательно, чтобы защита линии А не сработала при к. з. на следующем участке, она должна иметь время   Приняв некоторый запас t33n и учтя, что защита А может за счет -    погрешности реле времени снизить свою выдержку времени на ве¬личину tnlA), получим:    .   Отсюда минимальная ступень времени      Согласно выражению (4-9) выбирается ступень для защит с не¬зависимой характеристикой. Что касается защит с зависимой харак¬теристикой, осуществляемых индукционным реле, то они могут про¬должать работать по инерции после отключения тока к. з. Поэтому ступень времени у таких защит должна быть увеличена на время инерционной ошибки реле ta:      Для применяемых в эксплуатации реле и выключателей ступень времени колеблется у защит с независимой выдержкой времени в пределах 0,35—0,6 сек, а у защит с зависимой или ограниченно зависимой характеристикой — 0,6— 1 сек.    Так, например, у защит с реле времени типа ЭВ-122 погрешность по времени составляет ta = ±0,12 сек; выключатели МКП-110 имеют время отключения tB = 0,15 сек. Подставляя указанные значения в выражение (4-9) и принимая за¬пас времени t3an равным 0,1 сек, получаем ступень времени      При согласовании с быстродействующей защитой погрешность ее не учитывается (*П(В) = 0), и тогда [на основании (4-9) с учетом указанных значений ta и tB] ступень времени А^ = 0,35 -*¦ 0,4 сек.  б) Выбор времени действия защит Выдержки времени защит с независимой характеристикой опре¬деляются исходя из заданной ступени времени по уравнению   (4-11)    Выдержки времени защит с зависимой или ограниченно зависи¬мой характеристикой также должны удовлетворять условию (4-11), но поскольку время действия этих реле зависит от тока, необходимо задавать пределы тока, при которых это условие должно выпол¬няться. Положим, что линии, показанные на рис. 4-12, оборудованы защитой, имеющей ограниченно зависимую характеристику. Тре¬буется выбрать характеристику защиты линии А и согласовать ее с характеристикой защиты линии В, которая известна. Защита линии А должна иметь время на ступень больше за¬щиты линий В при всех к. з.. в пределах зоны совместного действия защиты А я В, т. е. на линии В. Если при к. з. в точке /Ci (начало зоны защиты В) ток к. з., проходящий через защиты А и В, равен /к1, то при всех к. з. за точкой Къ т. е. в зоне работы защиты В, токи к. з.  будут меньше. Следовательно,  условие селективности (4-11) должно выполняться при токе /щмакс и всех токах, меньших его. В случае к. з. на линии А время действия защиты А не должно согласовываться с защитой В и может быть сколь угодно малым; при этом ток к. з., проходящий через защиту А, будет больше /К1„акс-Из этих условий вытекает следующее правило подбора зависимых характеристик:  1.  Строят исходную характеристику t = / (/) защиты В, с кото¬рой проводится согласование защиты А, установленной на смежном участке (рис. 4-13).  2.  Определяют максимальное значение токов к. з. /к1 макс, про¬ходящих через защиты А и В при повреждении в йачале участка, защищаемого   защитой   В.  3.  Пользуясь   заданной  характеристи¬кой защиты В, находят ее выдержку вре¬мени t-B\ при токе /К1макс, т. е.  при к. з. в начале защищаемой зоны, в точке Kv  4.  По условию селективности выдержка времени защиты А притоке /к1макс должна превышать время защиты BtBl на ступень At: Это условие должно выполняться не только при токах /К1макс, но и при всех     меньших токах к. з.; характеристика за¬щиты Л, удовлетворяющая условию (4-12), подбирается при проектировании по типовым характеристикам реле, а в условиях эксплуатации — путем регулирования уставки времени реле.  5. Выбранная характеристика защиты А строится совместно с ха¬рактеристикой защиты В для наглядной проверки выполнения условия (4-12) притоках к. з., равных и меньших /К1макс (рис. 4-13). Совместное построение характеристик нескольких защит удобно вести относительно первичных фазных токов, но при этом нужно учи¬тывать схему соединения токовых цепей защиты, от которой зависит соотношение между током в реле и током в фазе, т. е. /гсх. Если согласуемые защиты находятся на разных сторонах сило¬вого трансформатора, то их характеристики нужно привести к токам одного напряжения.

ОБЩАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ

   Достоинствами максимальной токовой защиты являются ее простота, надежность и небольшая стоимость по сравнению с дру¬гими видами защиты. По своему принципу максимальная токовая защита обеспечивает селективность в радиальных сетях с односто¬ронним питанием. Однако в некоторых случаях ее удается применять и в более сложных сетях, имеющих двустороннее питание.    К недостаткам максимальной защиты относятся:  а)  большие выдержки времени, особенно вблизи источников пи¬тания, в то время как именно вблизи шин станции по условию устой¬чивости необходимо быстрое отключение к. з.;  б)  недостаточная чувствительность при к. з. в разветвленных сетях с большим числом параллельных цепей и значительными то¬ками нагрузки. Максимальная токовая защита получила наиболее широкое рас¬пространение в радиальных сетях всех напряжений, в сетях 10 кв и ниже она является основной защитой.