Шабад Расчёты РЗА распредсетей 2012

150

Несмотря на меньшее влияние броска емкостного тока на работу современных реле при внешних ОЗЗ, не всегда возможно обеспечить селективность (избирательность) рассматриваемого типа ненаправленной защиты в сети с изолированной нейтралью, особенно в сетях с нестабильной первичной схемой сети и, следовательно, периодически изменяющимися значениями собственных емкостных токов отдельных фидеров и суммарного емкостного тока, а также в сети с малым количеством фидеров. Это же относится к сетям 6 10 кВ, работающим с перекомпенсацией, разрешенной «Правилами» [1]. При резонансной настройке ДГР (режим нейтрали № 2) данный принцип выполнения защиты от ОЗЗ вообще не может быть использован. Невозможно обеспечить селективную (избирательную) работу этого типа защиты в сетях с параллельно работающими фидерами 6(10) кВ и в сетях с еще более сложной конфигурацией.

В воздушных сетях 6 10 кВ рассматриваемые токовые ненаправленные защиты нулевой последовательности используются сравнительно редко, так как для включения измерительного органа защиты требуется кабельная «вставка» для включения кабельного ТТНП («Ферранти»), а также потому, что в воздушных сетях невелики

значения токов 3I0 при ОЗЗ.

Токовые защиты нулевой последовательности используются для защиты от ОЗЗ генераторов, работающих на сборные шины, и электродвигателей 6 и 10 кВ на электростанциях и на подстанциях. Собственный емкостной ток электрических машин не столь велик, как у кабельных линий, в связи с чем условие несрабатывания защиты при внешних ОЗЗ выполняется легче, чем для кабельных линий. При необходимости допускается вводить выдержку времени (около 0,5 с), которая практически позволяет

не учитывать бросок емкостного тока при ОЗЗ (kбр 1,5).

В режиме резистивного заземления нейтрали рассмотренная здесь токовая ненаправленная защита может иметь значительно большую чувствительность,

поскольку при ОЗЗ к суммарному емкостному току сети IC прибавляется (геометрически) активный ток резистивного заземления (рис. 1.56).

Токовая защита нулевой последовательности, ненаправленная, с обратнозависимой времятоковой характеристикой типа RXIDG. Эта характеристика для цифровых реле показана на рис. 1.58.

Зависимость времени срабатывания защиты t (с) от тока IОЗЗ/Iс.з представляется следующим математическим выражением:

t = 5,8 – 1,35 ln IОЗЗk I ,с.з

где t – время срабатывания, с; k – выставляемый коэффициент; IОЗЗ – ток замыкания на землю при ОЗЗ (геометрическая сумма суммарного емкостного тока и активного тока резистивного заземления), А; Iс.з – ток срабатывания защиты (первичный), А.

Ток срабатывания защиты выбирается так же, как указано выше, из условия несрабатывания при внешних ОЗЗ. Селективность срабатывания защиты именно на том фидере, где произошло ОЗЗ, обеспечивается за счет ее меньшего времени срабатывания t, которое соответствует большему значению суммарного тока по сравнению с собственными емкостными токами каждого из неповрежденных фидеров (Iс.фид.макс). После первоочередного отключения поврежденного фидера защиты всех неповрежденных фидеров автоматически возвращаются в исходное положение.

151

Рис. 1.58. Характеристика с обратнозависимой выдержкой времени типа RXIDG

Если эта защита от ОЗЗ должна действовать только на сигнал, то необходимо выполнить специальную коммутацию для блокировки защит неповрежденных присоединений после срабатывания защиты поврежденного присоединения (см. «Энергетик», 2001, № 3, с.32).

Рассмотренные ненаправленные токовые защиты с независимой времятоковой характеристикой и с обратнозависимой времятоковой характеристикой (рис. 1.58) могут обеспечивать селективное отключение фидера с ОЗЗ только при определенной конфигурации защищаемой сети 6 (10) кВ, конкретных типах реле, параметрах кабелей и других условиях, и, разумеется, при правильном выборе рабочих уставок. Однако в сетях с изолированной нейтралью с очень небольшими значениями естественных емкостных токов (рис. 1.54) и малым количеством отходящих линий, главным образом, воздушных, ненаправленные токовые защиты принципиально не могут обеспечить

152

селективное отключение линий с ОЗЗ. Поэтому в таких сетях могут использоваться токовые направленные защиты от ОЗЗ.

Направленные защиты типа ЗЗП-1М и ЗЗН. Направленная защита от однофазных замыканий на землю типа ЗЗП-1М предназначена для селективного отключения линий при однофазных замыканиях на землю и может применяться в сетях

с суммарным емкостным током не менее 0,2 А, как указывается в информации заводаизготовителя. Однако в связи с большой вероятностью возникновения однофазных замыканий на землю на ВЛ через переходные сопротивления и с учетом некоторого запаса по чувствительности применение устройства ЗЗП-1М целесообразно в тех сетях, например 10 кВ, где минимальное значение суммарного емкостного тока по крайней мере в 2,5 3 раза выше, т.е. 0,5 0,6 А (первичных).

Токовые цепи защиты ЗЗП-1М подключаются к кабельному трансформатору тока нулевой последовательности ТТНП типа ТЗЛ (рис. 1.59, а), в связи с чем, защищаемая воздушная линия должна иметь кабельную вставку (ввод). Это является недостатком защиты ЗЗП-1М, ограничивающим ее применение.

Цепи напряжения защиты ЗЗП-1М включаются на напряжение нулевой последовательности 3U0, получаемое от обмотки трансформатора напряжения ТН, соединенной в «разомкнутый треугольник» (рис. 1.59, а).

Для защиты элементов ЗЗП-1М от высших гармоник, имеющихся в напряжении 3U0, устройство следует подключать к ТН через фильтр с резонансной частотой 50 Гц, который подавляет высшие гармонические составляющие с частотой выше 50 Гц. Фильтр выпускается в виде вспомогательного устройства ВУ-1, в которое входят дроссель с регулируемым воздушным зазором и последовательно включенный конденсатор. На одно устройство ВУ-1 может быть включено до 10 устройств ЗЗП-1М. Для исключения опасного воздействия на устройства ЗЗП-1М перенапряжений, возникающих в первый момент замыкания на землю в сети 10 кВ, в схеме предусмотрена небольшая задержка в подаче напряжения 3U0 на устройство ЗЗП-1М с помощью максимального реле напряжения 1РН типа РН-53/60Д с уставкой 15 В, т.е. ниже, чем напряжение срабатывания устройства ЗЗП-1М. Как видно из схемы (рис. 1.59, а), напряжение 3U0 подается на устройства ЗЗП-1М только после срабатывания реле 1РН и замыкания его контактов.

Защита ЗЗП-1М состоит из следующих основных органов (рис. 1.59, б): согласующего устройства 1, усилителя переменного тока 2, фазочувствительного усилителя (органа направления мощности) 3, выходного реле 4 и блока питания 5. Блок питания типа БПН-11 подключается к трансформатору собственных нужд подстанции (на рис. не показано).

153

Рис. 1.59. Принципиальная схема включения (а), структурная схема (б) направленной защиты от ОЗЗ типа ЗЗП-1М и пояснение принципа

ее действия при ОЗЗ на одной из ВЛ сети (в).

Таким образом, защита ЗЗП-1М представляет собой направленную токовую защиту нулевой последовательности. При однофазном замыкании на землю, например

на воздушной линии 10 кВ ВЛ3 (рис. 1.59, в), токи IC1, IC2, определяемые емкостью фаз неповрежденных линий ВЛ1, ВЛ2 по отношению к земле, имеют условное направление к месту повреждения на линии ВЛ3 и, таким образом, по-разному направлены на поврежденной и неповрежденной линиях. На неповрежденных линиях при направлении токов IC к шинам 10 кВ питающей подстанции защиты ЗЗП-1М не срабатывают. На поврежденной линии при направлении суммарного емкостного тока

IC от шин подстанции к месту повреждения защита ЗЗП-1М срабатывает, если значение этого суммарного тока больше, чем ее ток срабатывания (чувствительность). Если считать, что среднее удельное значение емкостного тока для воздушных сетей 10 кВ составляет на 1 км примерно 0,028 А, то для надежного срабатывания защиты

154

ЗЗП-1М при минимальной ее уставке 0,2 А (первичных) необходимо, чтобы суммарная протяженность всех неповрежденных линий 10 кВ этой сети была бы не менее

20 25 км и соответственно суммарный емкостный ток IC 0,5 0,6 А. Однако, если это условие не обеспечивается, например, при отключении для ремонта одной или двух линий 6 (10) кВ, защита ЗЗП-1М не сможет сработать из-за недостаточных значений суммарного емкостного тока. При этом дополнительно к линейным защитам (ЗЗП-1М) на подстанции должна быть установлена резервная неселективная максимальная защита напряжения нулевой последовательности (реле 2РН на

рис. 1.59, а), которая с выдержкой времени 0,5 0,7 с действует на отключение питающего трансформатора (при этом должны запрещаться действия автоматики включения: АВР, АПВ). При малых значениях емкостных токов такое неселективное действие считается правильным, поскольку своим действием защита выполняет требования техники безопасности и предотвращает несчастные случаи.

С 1998 г. вместо ЗЗП-1М Чебоксарский электроаппаратный завод ЧЭАЗ выпускает усовершенствованную направленную защиту нулевой последовательности, также использующую промышленную частоту типа ЗЗН.

Защита ЗЗН предназначена для селективного отключения защищаемого присоединения при ОЗЗ в некомпенсированных сетях 3-10 кВ с первичным током

замыкания на землю от 0,2 А (что соответствует минимальной суммарной длине неповрежденных кабельных линий сети 10 кВ 0,2 км или воздушных линий 7 км), при использовании кабельных трансформаторов ТТНП.

Защита ЗЗН состоит из двух пусковых органов (ПО) по току и по напряжению, фазочувствительного органа, которые работают по схеме «И». ЗЗН имеет три уставки по току (0,07 0,02 А; 0,25 0,025 А; 2,5 0,025 А) и три уставки по

напряжению (10 В; 15 В; 20 В); встроенный блок питания; встроенное устройство экспресс-контроля; устройство сигнализации, указывающее на недопустимые небалансы в цепях тока и напряжения защиты, на наличие ОЗЗ в зоне действия защиты и на срабатывание выходного реле.

Защита ЗЗН обладает большей областью применения, чем ЗЗП-1 (ЗЗП-1М) и не обладает ее недостатками. Защита выполнена в конструктиве «Сура-2» (по информации разработчика ВНИИЭ).

В России (и странах СНГ) широко используется режим заземления нейтрали № 2 (рис. 1.55), при котором полностью компенсируется ток 3I0 промышленной частоты. Для таких сетей были разработаны оригинальные защиты от ОЗЗ, основанные на измерении высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ, получившие наименование УСЗ.

Устройства сигнализации замыканий на землю , измеряющие высшие гармонические составляющие тока при ОЗЗ. В России ЧЭАЗ выпускает два типа аналоговых устройств сигнализации замыканий на землю, измеряющих сумму высших гармоник в токе ОЗЗ:

УСЗ-2/2 индивидуальное устройство, которое включается на ТТНП кабельного типа («Ферранти»), основанное на принципе абсолютного замера;

УСЗ-3М групповое устройство, состоящее из прибора, который поочередно подключается к ТТНП каждого из кабелей (рис. 1.60), что дает возможность персоналу однозначно определить фидер с ОЗЗ по относительно большему показанию прибора (принцип относительного замера).

155

Устройство УСЗ-2/2 не нашло широкого применения из-за относительно большой стоимости, трудности выбора уставок, возможности неселективного срабатывания при дуговых ОЗЗ и других существенных недостатков.

Рис. 1.60. Схема включения прибора УСЗ-3М. Кнопки с переключением без разрыва цепи

Групповое устройство УСЗ-3М, так же основанное на измерении суммы высших гармонических составляющих в токе ОЗЗ (от 150 до 650 Гц), нашло широкое применение в основном в кабельных сетях городов и промышленных предприятий. Более чем 40-летний опыт использования УСЗ-3М позволяет дать высокую оценку этому устройству, несмотря на его известные недостатки: непригодность для использования в сложных сетях с параллельными линиями, невозможность фиксации кратковременных ОЗЗ, необходимость выезда оперативного персонала на подстанцию для большого числа измерений с целью определения поврежденного фидера, что увеличивает время отыскания фидера с ОЗЗ.

Для обеспечения безопасности оперативного персонала рекомендуется установить УСЗ-3М с кнопочной стойкой вне распределительного устройства 6 10 кВ (рис. 1.60).

Таким образом, с помощью УСЗ-3М можно обнаружить только устойчивое замыкание на землю, но это не препятствует широкому применению этих устройств. Имеются разработки автоматических устройств для одновременного измерения сумм высших гармоник на всех отходящих линиях, сравнения этих значений между собой и выявления поврежденной линии. Например, в цифровом терминале защиты линии для сетей с резонансно-заземленной нейтралью SPAC 801.013 предусмотрена токовая ненаправленная защита от замыканий на землю аналог УСЗ, измерение высших гармоник тока. Такая же функция имеется и в других новых российских цифровых реле: SPAC 810, Сириус, МБРЗ [29].

Надо отметить, что описанные устройства не имеют элемента направления, поэтому на подстанциях с малым числом линий, причем неидентичных, затруднительно обеспечить их селективную работу при ОЗЗ на какой-то из линий.

______________

156

Глава вторая

РАСЧЕТЫ ЗАЩИТ ПОНИЖАЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 2.1. Общие сведения

Защита силовых трансформаторов, в том числе понижающих трансформаторов распределительных сетей (с обмоткой высшего напряжения от 3 до 110 кВ), должна выполняться по «Правилам» [1, 2]. В этой главе приведены основные условия и примеры расчета уставок для токовых защит понижающих трансформаторов.

Враспределительных сетях устройства релейной защиты на многих трансформаторах выполняются на переменном оперативном токе. Особенности схем и расчетов этих устройств подробно рассматриваются в этой главе.

Защита трансформаторов плавкими предохранителями не рассматривается.

Вэтой главе автор сознательно стремился без изменения сохранить все полезные материалы предыдущего издания, учитывая его широкое использование на практике. Наряду с этим в недавно изданной в ПЭИПК книге А.М. Александрова «Дифференциальные защиты трансформаторов» имеется много ценных сведений по новым устройствам РЗ, повторять которые в этой книге нецелесообразно.

§2.2. Максимальная токовая защита без пуска по напряжению и токовая отсечка

Особенности выполнения и расчета. Основные условия расчета максимальной токовой защиты для линий 6 и 10 кВ, изложенные в § 1.1, могут быть применены и для выбора уставок максимальной токовой защиты (без пуска по напряжению) понижающих трансформаторов. Выбор тока срабатывания защиты производится по

выражениям (1.1) – (1.4), где только лишь коэффициент надежности согласования kн.с выбирается несколько бóльшим при наличии на трансформаторе устройства регулирования напряжения тока под нагрузкой (РПН). При расчетах аварийных токов КЗ за трансформаторами с РПН, а также токов самозапуска нагрузки, следует учитывать существенные изменения сопротивлений рассеяния трансформатора (хтр) при изменении положения регулятора РПН (см. ниже). При расчете токов КЗ и выборе уставок защит необходимо также учитывать все возможные режимы работы трансформаторов при их числе более одного, а также при наличии АВР в питаемой сети.

При установке на предыдущих (нижестоящих) линиях 6–110 кВ дистанционных защит согласование чувствительности (по току) максимальной токовой защиты трансформатора (автотрансформатора) без пуска по напряжению или с комбинированным пусковым органом напряжения (§ 2.3) производится с теми дистанционными защитами, чувствительность которых в зоне резервирования недостаточна [1]. Последнее характерно для распределительных сетей с относительно маломощными трансформаторами на ответвлениях и другими предыдущими элементами с большим сопротивлением.

Согласование чувствительности (по току) максимальных токовых защит с предыдущими дистанционными защитами. При согласовании необходимо обеспечить меньшую чувствительность (меньшую зону действия) токовой защиты, чем предыдущей дистанционной, при всех видах КЗ, и в том числе при КЗ через максимально возможное переходное активное сопротивление электрической дуги в месте повреждения. В последнем случае ток КЗ через последующую максимальную защиту возрастает по сравнению с металлическим КЗ за таким же по величине полным

157

сопротивлением линии и, следовательно, увеличивается ее зона действия. Однако, как известно, максимальное активное сопротивление электрической дуги в месте КЗ не

может быть определено однозначно, поскольку rп зависит от тока КЗ, а ток КЗ, в свою очередь, зависит от значения rп [3]. Поэтому методика согласования чувствительности (по току) токовых защит с предыдущими дистанционными заключается в том, чтобы убедиться в достаточной чувствительности дистанционной защиты (обычно ее третьей степени) при КЗ в заданной зоне действия через вероятное сопротивление rп, после чего получить право произвести согласование при металлическом КЗ. Условие согласования:

где kн.с коэффициент надежности согласования (см. табл. 2.4); kр коэффициент токораспределения, учитывается при возможности параллельной работы питающих трансформаторов; при возможности одиночной работы трансформатора равен 1, при постоянной параллельной работе двух трансформаторов равной мощности равен 2; I(3)к.макс максимальное значение тока по предыдущей линии, с защитой которой производится согласование, при трехфазном КЗ через максимально возможное активное переходное сопротивление (если предыдущая дистанционная защита недостаточно чувствительна при этом) или при трехфазном металлическом КЗ в конце

(N 1)

зоны действия защиты; Iраб. макс (N 1) – геометрическая сумма максимальных

1

рабочих токов всех предыдущих линий, питающихся от рассматриваемого трансформатора, за исключением той линии, с защитой которой производится согласование; при однородной нагрузке допустимо арифметическое сложение рабочих токов, что создает некоторый расчетный запас. У трехобмоточных трансформаторов должны учитываться рабочие токи (нагрузка) на стороне другого, низшего (или среднего), напряжения.

В выражении (2.1) ток КЗ и суммарный рабочий ток в общем случае должны складываться геометрически, поскольку углы сдвига фаз между напряжением и током

при КЗ ( к = л ) и в режиме нагрузки ( раб ) не равны между собой. Однако практика расчетов показывает, что при обычных значениях л 55 65○ для ВЛ 35 и 110 кВ для ВЛ 10 кВ еще меньше) и раб 20 40○ ошибка при арифметическом сложении

составляет всего лишь 5 – 10% по сравнению с геометрическим сложением, причем ошибка создает расчетный запас. Поэтому в практических расчетах в формуле (2.1) производится арифметическое сложение токов КЗ и токов нагрузки.

Выполнение условия (2.1) часто приводит к необходимости увеличения тока срабатывания и, следовательно, уменьшения чувствительности максимальной токовой защиты трансформаторов, особенно небольшой мощности. Условие (2.1) может не выполняться, если максимальная токовая защита имеет пусковой орган напряжения, состоящий из трех реле напряжения, включенных на три междуфазных напряжения (рис. 2.11, б), и если произведено согласование по напряжению этой защиты с предыдущими дистанционными защитами [8]. Согласование максимальной токовой защиты трансформатора с предыдущими защитами как по току, так и по напряжению, рассмотрено в примере 8.

Коэффициент чувствительности. Для токовых защит стандартных трансформаторов со схемой соединения обмоток и коэф-

158

фициент чувствительности рекомендуется определять по вторичным токам КЗ с помощью формулы (1.5) ; в основной зоне (на шинах низшего и среднего напряжения)

требуется kч. осн 1,5, а в зоне резервирования kч. рез 1,2 [1]. Расчетным видом повреждения является двухфазное КЗ за трансформатором. В табл. 2.1 приведены выражения для определения токов в реле типовых схем максимальной защиты при двухфазном КЗ без учета токов нагрузки. Расчетным называется наибольший из вторичных токов, проходящий хотя бы в одном из реле защиты, при рассматриваемом виде КЗ. Для упрощения практических расчетов все токи в табл. 2.1 выражены через ток трехфазного КЗ (Iк(3)) с учетом того, что для распределительных сетей, как правило, можно считать ток двухфазного КЗ Iк(2) равным 3 I к(3)/2, или 0,865I к(3).

Таблица 2.1

Формулы для определения расчетных токов в реле максимальных токовых защит при двухфазном КЗ

где установлена рассматриваемая защита; nт – коэффициент трансформации трансформаторов тока этой защиты.

Схемы включения токовых реле максимальной защиты трансформаторов показаны на рис. 2.1. Каждая из схем имеет свою область применения, определяемую из условий наибольшей чувствительности к КЗ при наименьшем количестве реле.

Дополнительно отметим, что схему «полная звезда» (рис. 2.1, а) не следует применять для понижающих трансформаторов 110 и 220 кВ, которые когда-либо могут

159

работать с глухозаземленной нейтралью, поскольку при такой схеме максимальная защита реагирует на КЗ в сети 110 кВ, связанные с землей, что затрудняет выбор уставок, а иногда требует недопустимого увеличения тока или времени срабатывания защиты. Для таких трансформаторов максимальная защита выполняется по схемам на рис. 2.1, в или г.

Рис. 2.1. Схемы включения реле тока максимальных токовых защит трансформаторов: а – полная звезда; б – неполная звезда с дополнительным реле 3 в обратном проводе; в – треугольник с тремя реле; г – треугольник с двумя реле

Расчетные выражения в табл. 2.1 составлены на основании векторных диаграмм полных токов в месте двухфазного КЗ и после трансформации симметричных составляющих через трансформатор со стандартной схемой соединений обмоток

[3]. Векторные диаграммы, построенные без учета токов нагрузки, приведены на рис. 2.2. Коэффициент трансформации трансформатора при этом условно принят равным 1 для наглядности сравнения между собой полных фазных токов КЗ, проходящих на сторонах высшего и низшего напряжения трансформатора. Векторная диаграмма полных токов на стороне высшего напряжения трансформатора (рис. 2.2) имеет такой вид вследствие того, что при трансформации симметричных составляющих токов КЗ со стороны «треугольника» на сторону «звезды» система векторов токов прямой последовательности поворачивается на – 30º, а система векторов токов

обратной последовательности на + 30 [3] .

Рис. 2.1 и 2.2 наглядно показывают пути увеличения чувствительности максимальной токовой защиты. Например, добавлением одного реле (3) в схеме на рис. 2.1, б можно в два раза увеличить чувствительность защиты трансформатора со схемой соединения обмоток или , а применением схемы на рис. 2.1, в вместо 2.1, г – увеличить в два раза чувствительность защиты на стороне высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток к двухфазным КЗ на стороне среднего напряжения. Наиболее просто это выполняется при использовании цифровых реле. Однако при выполнении защиты на переменном оперативном токе по схеме с дешунтированием ЭО увеличение количества реле без