5.Расчет релейной защиты.

Расчет релейной защиты одного узла разработанной схемы входит в комплекс системы электроснабжения объекта.

Проектируемая релейная защита должна обеспечивать отключение коротких замыканий, избирательность, чувствительность и надежность действия при экономичности сооружения коммутационных и релейных аппаратов.

Рассчитать релейную защиту – это значит:

- выбрать вид и схему;

- выбрать токовые трансформаторы и токовые реле;

- определить чувствительность защиты.

Способы выполнения различных устройств релейной защиты, выбор видов защит и их задачи подробно рассматриваются в читаемом курсе «Электроснабжение ПВТ», поэтому при выполнении данного расчета студент должен уметь выбрать из многочисленных устройств нужную схему и аппаратуру. В основном задача состоит в релейной защите, реагирующей на возрастание тока сверх определенной величины, полученной в результате расчета нагрузок, определением тока срабатывания защиты на основе полученных в проекте токов короткого замыкания. Проектированию подлежат токовые защиты, которые в зависимости от способа обеспечения селективности делятся на максимальные токовые и токовые отсечки. В первом случае селективность защиты достигается выбором по определенному принципу времени от момента возникновения повреждения до момента действия защиты на отключение; во втором – соответствующим выбором тока, при котором защита приходит в действие. Разновидностью токовой отсечки является токовая отсечка с выдержкой времени. В этой защите используется оба способа обеспечения селективности.

Для предотвращения излиш­них срабатываний при токах перегрузки, вызванных самозапуском электродвигателей или подключением дополнительной нагрузки, максимальная токовая защита должна иметь ток срабатывания (уставку), больший, чем максимально возможный ток пере­грузки. А для предотвращения излишних (неселектив­ных) срабатываний при КЗ на отходящих элементах НН максимальная токовая защита трансформатора должна иметь орган выдержки времени, замедляю­щий ее действие на время, необходимое для сраба­тывания защиты поврежденного отходящего эле­мента. Функциональная схема максимальной токовой защиты приведена на рис.1

Измерительная часть максимальной токовой за­щиты трансформаторов 10 кВ состоит из двух или из трех максимальных реле тока Т (три реле устанав­ливаются для защиты трансформаторов со схемой со­единения обмоток ∆/Y или Y/∆). Реле тока включе­ны на токи фаз А и С и на ток фазы В, проходящий в обратном проводе схемы соединения трансформато­ров тока ТТ в неполную звезду (рис. 1). Выходное действие реле тока осуществляется по схеме «ИЛИ»„ т. е. защита может действовать при срабатыва­нии одного, двух или трех реле. В логической части должен быть орган выдержки времени В, позволяющий установить время срабатывания защиты в пределах от 0,1 до 1,3 с. Предусматриваются так­же сигнальный орган СО и исполнительный орган НО, распространяющий действие защиты на отклю­чение трансформатора с двух сторон, т. е. действую­щий на отключение выключателя В на стороне 10 кВ и автомата АВ на стороне 0,4 кВ. На трансформато­рах 10/6 кВ действие защиты распространяется на отключение двух выключателей.

Рис.1 Функциональная схема максимальной токовой защиты трансформатора 10/0,4 кВ

Типы максимальных реле тока. Максимальные защиты трансформаторов 10 кВ в настоящее время выполняются в основном на электромеханических реле (типов РТВ, РТ-80, РТ-40), т. е. на реле с по­движными элементами и контактным выходом. На­ряду с ними уже находят применение современные электронные защиты, выпускаемые Чебоксарским электроаппаратным за­водом (типа     ЯРЭ-2201), ПО «Энергоавтоматика»     (ТЗВР), а   также   некоторыми энергосистемами (например, в Ленэнерго выпускает­ся электронная защита с зависимой характеристикой типа УМТЗ с дешунтированием ЭО с помощью си­ловых тиристоров).

При использовании токовых реле типа РТ-40 и реле времени типа ЭВ или РВМ (или РТМ) защита называется максимально-токовой с независимой характеристикой времени срабатывания. При использовании индукционно-токовых реле типа РТ-80 и реле времени типа РТВ защита называется максимально-токовой с зависимой характеристикой времени срабатывания.

Рис.2 Ограниченно зависимые   характеристики разных   типов   максимальных реле тока 1- реле РТ-90; 2 – реле PTB1—PTB3; 3 - реле PTB4-PTB6;   4 -реле РТ-80

Реле тока с зависимой характеристикой (рис. 2) автоматически уменьшает время срабатывания при увеличении тока через реле. Но, начиная с какой-то определенной кратности тока по отношению к току срабатывания реле I2k/Iс.р., реле действует с одной и той же установленной выдержкой времени. Такая характеристика называется ограниченно зависимой.

Максимальная токовая защита с ограниченно за­висимой характеристикой может выполняться с по­мощью одного из двух типов электромеханических реле: электромагнитного реле прямого действия типа РТВ или индукционного реле косвенного действия типа РТ-80.

Реле прямого действия РТВ выполняет одновре­менно функции токового измерительного органа (реле тока) и органа выдержки времени (реле времени). Замедление действия реле РТВ достигается с помо­щью часового механизма. Реле РТВ встраивается в пружинный привод выключателя 10 кВ. Реле РТВ имеют 6 исполнений — от I до VI, отличающихся друг от друга значениями токов срабатывания (уставок). Реле PTBI—PTBIII имеют характеристику (кривая 2 на рис. 2), у которой независимая (установившаяся) часть наступает при токе, равном примерно 1,6Iс.р. Реле PTBIV — PTBVI имеют более пологую ха­рактеристику (кривая 3 на рис. 2), у которой независимая часть наступает при токе, равном при­мерно 3Iс. р.

Индукционное реле РТ-80 (прежнее наименование ИТ-80) применяется в релейной защите уже более 50 лет, причем конструкция его практически не ме­нялась. Столь длительное и широкое применение этого типа реле объясняется многими его достоин­ствами:

реле имеет характеристику (кривая 4 на рис. 2), хорошо согласующуюся с времятоковыми характери­стиками плавких предохранителей, установленных на отходящих элементах, причем эта характеристика создается без часового механизма или отдельного реле времени, как это осуществляется в других реле и защитах;

реле имеет достаточно мощные контакты, способ­ные действовать непосредственно на электромагнит отключения выключателя в схемах на оперативном постоянном токе и дешунтировать электромагнит от­ключения в схемах на переменном оперативном токе, в последнем случае применяются реле РТ-85 или РТ-95;

в дополнение к индукционному элементу в реле РТ-80 имеется электромагнитный элемент — отсечка, с помощью которой можно обеспечить мгновенное действие реле при вторичном токе КЗ, в 2—8 раз пре­вышающем ток срабатывания индукционного эле­мента Iс.р (на рис. 2 характеристика отсечки пока­зана штриховой линией, начиная с тока 4I_с. _р);

реле имеет встроенный сигнальный элемент.

Таким образом, в одном реле РТ-80 объединены измерительный орган двухступенчатой максимальной токовой защиты, логическая часть, сигнальный и ис­полнительный органы, что делает защиту с реле РТ-80 простой и дешевой. Однако по сравнению с современ­ными статическими (электронными) реле у РТ-80 имеются существенные недостатки: наличие подвиж­ных частей, в том числе практически непрерывно вра­щающегося диска, низкий коэффициент возврата, большие габариты и масса, возможность ложного срабатывания при воздействии ударных нагрузок (например, при включении выключателя, установленного в той же ячейке КРУ, где размещается реле РТ-80, или в соседней ячейке).

Электромагнитное реле косвенного действия типа РТ-40 выпускается с начала 1960-х годов. Его пред­шественником является электромагнитное реле типа ЭТ-520. В 1969 г. реле РТ-40 было модернизировано путем уменьшения сечения магнитопровода и увели­чения совместного хода контактов для снижения ви­брации и повышения надежности замыкания контак­тов при больших кратностях тока КЗ по отношению к номинальному току трансформаторов тока. Для реле РТ-40 характерны все недостатки, присущие электромеханическим реле: сравнительно низкий коэффициент возврата (0,8, в то время как у электронных максимальных реле он составляет 0,95), наличие подвижных частей, возмож­ность вибрации контактов и отказ функционирования при токовой погрешности трансформаторов тока более 50 % и др.

С помощью реле РТ-40 выполняется максимальная токовая защита трансформаторов с использованием реле времени постоянного тока (на оперативном по­стоянном или выпрямленном токе) или реле времени переменного тока и специальных промежуточных реле для дешунтирования ОЭ выключателей 10 кВ

Расчет параметров срабатывания (уставок) мак­симальной токовой защиты

Для выбора токовых трансформаторов (ТТ) определяют:

1. номинальный ток нагрузки на ВН

I_н.т = (для трансформатора).

2. выбираются по I_1н и I_2н трансформаторы тока для установки

(таблица 5.1) и определяется номинальный коэффициент трансформации

Кт = I_1н/ I_2н.

Выбирается тип реле тока для защиты (таблица 5.2) и определяется уставка срабатывания по току

I_ср.р = ,

где I_ср(мтз) – ток срабатывания реле, расчетный, А;

I_нб – наибольший ток нагрузки защищаемого участка, А;

К_зап – коэффициент самозапуска ЭД;

На основании опыта эксплуатации принимаются:

К_зап = 1 – при отсутствии в линии ЭД,

К_зап = 2,5…3,0 – при наличии ЭД в линии,

К_н - коэффициент надежности отстройки, учитывающий погрешности реле и ТТ, равен 1,1 —1,2   (для реле косвенного действия типов РТ-40, РТ-80, РТ-90, а также новых электронных реле РСТ) или 1,2—1,4 (реле прямого действия типа РТВ)

К_в = 0,8…0,85 – коэффициент возврата реле,

К_сх – коэффициент схемы включения реле (это отношение тока реле к току фазы).

В зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и вида короткого замыкания принимаются следующие значения коэффициентов схемы:

К_сх = 1 – при соединении обмоток по схеме «неполная звезда»,

К_сх = 1,73 – во всех случаях при 3-х фазном КЗ,

К_сх = 1 – при КЗ двух фаз и одном токовом трансформаторе,

К_сх = 2 – при КЗ двух фаз и включении на разность токов обмоток двух ТТ

По расчетному значению тока срабатывания (I_ср.р) выбирается его каталожное значение (I_ср.кат.) согласно условию:

I_ср.кат I_ср.р.

Для повышения чувствительности защиты необходимо стремиться снижать ток срабатывания защиты I _ср.з = Кт I_ср.кат и ток срабатывания реле I_ср.кат . Это , в частности, возможно за счет увеличения коэффициента возврата К_в. Поэтому более чувствительную защиту можно выполнить с помощью вторичных реле косвенного действия. Чувствительность токовых защит характеризуется коэффициентом чувствительности, который представляет собой отношение двухфазного тока в обмотке реле при металлическом коротком замыкании в конце защищаемой зоны к току срабатывания защиты ( I_ср.з. ).

К_ч = ,

при этом = .

Максимальная токовая защита хорошо работает, если К_ч 1,2…1,5.

Способами повышения чувствительности защиты на реле прямого действия являются: замена ТТ на более мощные (с большими допустимыми зна­чениями Zн или с более высокими коэффициентами трансформации ); последовательнее включение двух обмоток ТТ ; переход на реле кос­венного действия, например РТ-85.

Таблица 5.1. Трансформаторы тока.

Тип	I1н , А	Обозначение
1	2	3
ТЛМ-6	300-400; 600-1500	Т- трансформатор тока
ТЛМ-10	50-400;600-1500	Л- с литой изоляцией
ТПЛ-10	10-400	М- модернизированный или малогабаритный
ТПЛК-10	10-1500	П- проходной или для установки на плоских шинах
ТЛ-10	50-3000	К- катушечный
ТВЛМ-10	20-1500	В- втулочный
ТПШЛ-10	2000-5000	Ш- шинный
ТПОЛ-20	400-1500	О- одновинтовый или опорный
ТПОЛ-35	400-1500

Примечание. Для всех трансформаторов I_2н = 5А.

Шкала номинальных первичных токов: 1,5-10-15-20-30-40-50-75-100-150-200-250-300-400-500-600-750-800-1000-1200-1500-2000-3000-4000-5000-6000-8000-10000-12000-14000-16000-18000-20000-25000-28000-32000-35500-40000

Таблица 5.2.

Реле тока.

Тип	Iср.р.	Тип	Iср.р.
РТМ-l	5; 7,5; 10; 15	РТ – 40/20	5…10
РТМ- ll	10; 15; 20; 25	РТ – 40/50	12,5…25
РТМ- lll	30; 40; 50; 60	РТ - 40/100	25…50
РТМ- lV	75; 100; 125; 150	РТ – 40/200	50…100
РТМ- 10-30	10; 20; 30	РТВ- l, РТВ- lV	5; 6; 7,5; 10
РТМ- 5-15	5; 10; 15	РТВ- ll, РТВ- V	10; 12.5; 15; 17.5
РТМ- 20-60	20; 40; 60	РТВ- lll, РТВ- Vl	20; 25; 30; 35
РТМ- 40-120	40; 80; 120	РТВ- 5- 10	5; 6; 7; 8; 10
РТ- 40/0,2	0,05…0,1	РТВ- ll- 20	11; 12; 14; 16; 18; 20
РТ- 40/0,6	0,15…0,3	РТВ- 20-35	20; 22; 24; 27; 30
РТ- 40/2	0,5…1	РТВ- 80, РТВ- 90	2-5, 4-10
РТ- 40/6	1,5…3	ИТ- 81/1	4-10
РТ- 40/10	2,5…5	ИТ- 81/2	2-5

Расчет селективности срабатывания защиты.

Для того, чтобы при повреждении одного из электродвигателей не отключился Т2, его защита должна иметь выдержку времени t₂ большую, чем t₁ на величину, называемую ступенью селективности t, т.е.

t₂ = t₁ + t.

Выдержка времени защиты линии W должна быть:

t₃ = t₂ + t.

Ступень селективности должна быть такой, чтобы успели сработать защита и отключиться выключатель на повреждённом участке, прежде чем истечёт выдержка времени защиты на следующем неповреждённом участке.

Для МТЗ с независимой характеристикой времени срабатывания t_Н.З. определяется:

t_Н.З. = t_ВЫК. + _KT1 + _KT2 + t_зап.

Где: t_ВЫК. – время отключения выключателя с момента подачи импульса на отключающую катушку до момента гашения дуги на его силовых контактах; это время составляет 0,08 – 0,1 с у воздушных выключателей и 0,08 – 0,25 с у масляных.

t_КТ1 – погрешность реле времени защиты повреждённого участка, которое может подействовать на отключение с выдержкой времени больше расчётной; эта погрешность зависит от шкалы реле времени и составляет 0,06 – 0,8.

t_КТ2 – погрешность реле времени защиты следующего к ИП участка, которое может подействовать с выдержкой времени меньше расчётного значения. Эти погрешности такие же, как и у t_КТ1.

t_зап. – время запаса, учитывающее неточность регулировки реле времени, погрешность секундомера, которым производится настройка реле времени, увеличение времени отключения выключателей в зимнее время и др. факторы, принимается 0,1 – 0,5 с.

Таким образом, ступень селективности должна вычисляться с учётом типов установленных выключателей и типов реле времени и составляет:

t_Н.З. = 0,4 – 0,6 с.

Если одна из двух согласуемых защит не имеет реле времени (защита электродвигателей на рис.№3), тогда t_КТ1 = 0.

Рис 3. Подбор выдержек времени МТЗ с независимой характеристикой времени срабатывания.

Выдержки времени у максимальных токовых защит с независимой характеристикой времени срабатывания выбирают по ступенчатому принципу. Начинают выбор выдержек времени с наиболее удаленного от источника питания участка. По мере приближения к источнику выдержку увеличивают таким образом, что защита селективности больше, чем максимальная выдержка времени защиты предыдущего участка. Выбор выдержки времени у максимальных токовых защит с ограниченно зависимой характеристикой связан с согласованием выдержек времени с определенной величиной тока.

Ступень селективности для МТ защиты с зависимой характеристикой времени срабатывания t_З определяется:

t_З = t_ВЫК + t_КА1 + t_КА2 + t_ИН + t_ЗАП.

Где t_КА1 – погрешность токового реле с зависимой характеристикой времени срабатывания защиты повреждённого участка, которое может сработать на отключение с выдержкой времени больше расчётной; для реле РТ – 80, РТ – 90 она составляет 0,1 – 1 с.

t_КА2 – погрешность такого же реле защиты, следующей к ИП, которое может сработать с выдержкой времени меньше заданной.

t_ИН – время инерционной ошибки, которую имеют реле индукционного типа с диском; из-за наличия механической инерции подвижная система реле после отключения повреждённого участка и прекращения прохождения тока КЗ продолжает ещё некоторое время движение в сторону замыкания контактов, это время составляет 0,05 с.