M_Melnikov_Rel_zash_2008

Рис. 1.6. Схемы соединения обмоток измерительных TV и реле

1.3.3.Насыщающиеся трансформаторы тока

Вдифференциальной токовой защите (см. ниже) для улучшения

еехарактеристик при переходных процессах применяются насыщающиеся трансформаторы тока (НТА). На основе НТА выполняют из-

процесса, содержащий апериодическую составляющую, используется для снижения чувствительности дифференциальной защиты, имеющей НТА, в течение затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Насыщающийся трансформатор тока ТLАТ (рис. 1.7) содержит трехстержневой ферромагнитный сердечник. Первичный ток I1 поступает в обмотку W1 , а к вторичной W2 подключается измерительное максимальное реле тока КА. Характеристика Ip = f(I1) зависит от характера изменения тока (рис. 1.7, б). Если ток I1 синусоидальный (не смещен относительно оси времени), то магнитная индукция в сердечнике изменяется в широких пределах – Bmax ≤ B ≤ + Bmax . Среднеквадратичному значению индукции пропорциональна средняя величина ЭДС вторичной обмотки и ток в реле Ip . В этом случае НТА работает как обычный ТА.

Апериодическая слагающая изменяет режим работы НТА, насыщая его магнитопровод. На рис. 1.7, б показан случай, когда ток iбр (бросок тока намагничивания включаемого силового трансформатора) из-за апериодической составляющей полностью смещен относительно оси времени. Прохождение iбр по W1 НТА сопровождается изменением индукции в пределах + Вs ≥ В ≥ +Вr. Поэтому среднее значение ЭДС вторичной обмотки и ток в реле получаются значительно меньшими,

несмотря на то, что iбрmax ≥ Imax1. Обмотки W 'к предусмотрены для усиления действия апериодической составляющей тока. Они соединены так, что поток Ф левого и среднего стержней складываются. Поэтому часть тока обмотки W1 попадает в обмотку W2 путем двойной трансформации. Таким образом, апериодическая составляющая не

трансформируется в обмотку W 'к и ухудшает трансформацию периодической составляющей. Ток двойной трансформации, поэтому, оказывается относительно мал. При отсутствии апериодической составляющей ток двойной трансформации возрастает.

Изменять характеристику НТА можно также путем изменения степени его намагничивания дополнительным током управления Iу . Для

22

этого предусматривается обмотка управления Wу (рис. 1.8, а). Магнитный поток Фу , обусловленный током Iу , замыкается

только в крайних стержнях магнитопровода и намагничивает их. Для исключения влияния на работу реле ЭДС, индуктированной этим потоком в секциях обмотки W2 , секции включены так, чтобы ЭДС вычиталась. При этом Ф1 от тока в первичной обмотке индуктирует в этом контуре ЭДС, действующую с ЭДС от Фу и обусловливающую ток в обмотке реле. Таким образом, в НТА существует трансформаторная связь только между обмотками W1 и W2, зависящая от степени намагничива-

Рис. 1.7. Насыщающийся трансформатор тока (а) и графики мгновенных значений величин (б)

ния магнитопровода, т. е. от Iу . С увеличением Iу , например от Iу1 до Iу3, степень намагничивания увеличивается и для получения одного и того же вторичного тока Ip необходимо увеличивать ток I1 (рис. 1.8, б),

соответственно, от I1' до I1"' . Зависимость I1 = f(Iу) называется тормоз-

ной характеристикой (рис. 1.8, в), а обмотка управления – тормозной обмоткой.

23

определяется токами нулевой последовательности. Он обусловливает в магнитопроводе поток, который наводит ЭДС во вторичной обмотке ( W2 ) ТНП, создающая ток в реле КА. Таким образом, ток в обмотке реле появляется только при замыкании на землю. Он пропорционален I0.

Рис. 1.9. Фильтры тока нулевой последовательности

Существенное отличие ТНП от трехтрансформаторного фильтра (рис. 1.9, а) состоит в том, что его ток небаланса определяется только несимметрией расположения проводов фаз кабеля относительно магнитопровода и расположенной на нем вторичной обмотки. Поэтому он значительно меньше Iнб трехтрансформаторного фильтра. Область применения ТНП определяется защитами от замыкания на землю в системах с изолированной и компенсированной нейтралью. Для повышения чувствительности защиты ТНП выполняют с подмагничиванием и прежде всего используются в защитах от замыкания на землю синхронных генераторов. Подробно об этом см. в [1, 13, 21, 22].

1.5. Элементная база устройств релейной защиты и автоматики

Краткие сведения об электромеханических системах

Устройства релейной защиты и автоматики первого поколения создавались на основе электромеханических элементов. Начиная с 60-х годов эта элементная база стала заменяться полупроводниковой. Однако

25

и сейчас в релейной защите и автоматике систем электроснабжения наряду с полупроводниковыми используются электромеханические реле: электромагнитные, индукционные, магнитоэлектрические. По назначению они делятся на измерительные и логические. Под электромеханическим реле, согласно ГОСТ 16022-83, понимают электрическое реле, работа которого основана на использовании относительного перемещения его механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по его обмотке.

Здесь не рассматриваются принципы действия и устройства электромеханического реле, поскольку они изучаются в других дисциплинах, а также подробно освещены в [1, 10, 11, 21].

Полупроводниковые и микропроцессорные реле и терминалы

На смену электромеханическим реле в последнее время пришли полупроводниковые аналоговые реле, а затем – микропроцессорные (цифровые) реле и терминалы, т. е. многофункциональные устройства управления и защиты электроустановок.

Эти устройства обладают многими достоинствами: непрерывный самоконтроль, связь с компьютером, фиксация параметров защищаемых элементов, простота наладки и обслуживания и др.

Вчисле достоинств цифровых реле – возможность выбора любой из нескольких времятоковых характеристик, «записанных» в памяти каждого токового модуля. Четыре типа времятоковых характеристик в реле серии SPACOM приняты по стандарту МЭК, еще один повторяет характеристику реле РТ-80 (ИТ-80), на Западе R1, и еще один тип предназначен специально для защиты от замыканий на землю. В то время как каждое электромеханическое реле тока с обратнозависимой времятоковой характеристикой, как например РТ-80, РТВ-1 или РТВIV, имеет только один тип характеристики с однозначно заданной крутизной.

Однако, использование современных микропроцессорных реле, и

втом числе серии SPACOM, сопровождается предварительной настройкой каждого реле, и в первую очередь выбором только одной из заложенных в реле времятоковой характеристики с однозначно заданной крутизной.

Вцифровых реле различных фирм могут быть записаны не только характеристики по стандарту МЭК (рис. 1.10), но также IEEE, IAC и, возможно, иного вида.

Использование цифровых (микропроцессорных) реле, и в том числе серии SPACOM, не освобождает нас от необходимости предварительной настройки каждого реле и, в первую очередь, выбора только

26

одной из заложенных в реле времятоковой характеристики для каждой ступени токовой защиты, главным образом - для наиболее чувствительной ступени, называемой максимальной токовой защитой (МТЗ).

1 – независимая;

2 – RI;

3 – нормальная (МЭК);

4 – экстремальная (МЭК)

Рис. 1.10. Примеры времятоковых характеристик реле

В технических описаниях цифровых реле, также как и в стандарте МЭК, времятоковые характеристики МТЗ заданы математическими формулами. Для построения этих характеристик с целые их согласования с характеристиками других защитных аппаратов (реле и плавких предохранителей) необходимо знать основные традиционные условия выбора уставок максимальных токовых защит (токов срабатывания, характеристик, времени срабатывания).

Сравнительный анализ разных типов обратнозависимых времятоковых характеристик и российских реле PTB-I, II, III, PT-80, а также времятоковых характеристик российских плавких предохранителей типа ПКТ показал, что в большинстве случаев наиболее подходящей для России является «стандартная» характеристика МЭК (рис. 1.10). Однако, может возникнуть необходимость использования и других типов характеристик.

Для электрических сетей с непостоянным режимом питания в цифровых реле предусмотрена возможность выставления двух наборов уставок по току и по времени, один из которых может автоматически или по внешней команде заменить другой. Выбор уставок для таких сетей производится дважды: сначала для одного режима питания сети («нормального»), а затем для другого («аварийного»).

Таким образом, в результате расчета трехступенчатой максимальной токовой защиты должны быть выбраны ток срабатывания и время срабатывания каждой ступени защиты, а для третьей (второй) ступени -

27

обратнозависимая времятоковая характеристика или независимая характеристика времени срабатывания защиты (рис. 1.11).

Рис. 1.11.

Традиционно все токовые реле защиты от междуфазных КЗ выполняются двух или трехступенчатыми. Первое аналоговое индукционное реле RJ (РТ-80) выполняет двухступенчатую защиту, имея в своей конструкции защиту первой ступени (отсечку) и МТЗ с обратнозависимой времятоковой характеристикой. Однако, для выполнения трехступенчатой токовой защиты в трехфазном исполнении требуется большое количество аналоговых реле (рис. 1.11). В цифровых реле эта защита размещается в одном модуле. Часто все три ступени имеют следующие условные обозначения:

31>>> – первая ступень (отсечка), трехфазная; 31>> – вторая ступень (отсечка с выдержкой времени), трехфаз-

ная;

31> третья ступень, собственно максимальная токовая защита, трехфазная.

Ток срабатывания у отсечек значительно больше, чем у максимальной токовой защиты. Отсечки поэтому называют «грубыми» ступенями защиты, а МТЗ – «чувствительной» ступенью, которая обеспечивает отключение коротких замыканий не только на защищаемом элементе, но и при необходимости на смежных (предыдущих или ниже стоящих «downstream»), выполняя функции «дальнего резервирования».

28

Условные обозначения типов характеристик МТЗ:

–независимая времятоковая характеристика;

–обратнозависимая от тока времятоковая характеристи-

ка.

В[1, 2, 22, 23] подробно рассмотрены полупроводниковые, микропроцессорные реле, в [25] – методы и примеры выбора времятоковых характеристик и уставок токовых защит от междуфазных КЗ, выполненных на цифровых реле и терминалах серии SPACOM, выпускаемые фирмой АВВ Power Oy (Финляндия) и, частично, СП и «АВВ РелеЧебоксары» (Россия).

Для построения характеристик реле SPACOM с целью их согласования с характеристиками других защитных аппаратов (реле и плавких предохранителей) необходимо знать основные традиционные условия выбора уставок всех видов токовых защит элементов систем электроснабжения, чем, по мнению автора, и обусловлен предложенный порядок построения пособия.

При этом применение реле и терминалов, выполненных на новой элементной базе цифровой техники, не отменяет традиционных требований и принципов выполнения РЗА элементов системы электроснабжения и соответственно принципиальных положений по выбору основных параметров срабатывания устройств РЗА, в том числе максимальных, дистанционных и дифференциальных защит. Наоборот, традиционные требования к РЗА можно значительно успешнее реализовать при использовании новых, цифровых устройств РЗА.

Вприложении 3 приведен пример расчета рабочих уставок ступенчатых токовых защит линий от междуфазных КЗ с цифровыми и диалоговыми реле.

Основные требования к настройке цифровой токовой защиты

Цифровые (микропроцессорные) реле – терминалы управления и защиты электроустановок обладают многими преимуществами перед электромеханическими и статическими аналоговыми реле, в том числе непрерывной самодиагностикой, памятью, высокой точностью, малыми габаритами при больших функциональных возможностях.

Однако и для самых современных цифровых защит сохраняется необходимость выбора характеристик и параметров срабатывания защит, чтобы затем установить на реле соответствующие уставки по току, времени, напряжению и т. д.

Выбранные в результате расчетов характеристики и параметры

29

срабатывания защиты должны обеспечить выполнение этих требований. Однако часто эти требования вступают в противоречия друг с другом, как например селективность быстродействия, надежность несрабатывания при допустимых перегрузках и чувствительность при удаленных КЗ. Расчетчик уставок находит разумный компромисс.

В России действует «Инструкция по оценке и учету действий релейной защиты (издание 1990 г.), в которой предусматривается оценочная категория, как «допущенное неправильное действие защиты», возможность которого была выявлена заранее, например при расчете установок существующей релейной защиты, но это неправильное действие признается допустимым из-за его малой вероятности или малой тяжести последствий.

2. ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

На линиях электропередачи, трансформаторах и электродвигателях – элементах системы электроснабжения промышленных предприятий – применяются токовые, токовые направленные, дифференциальные защиты, а также максимальные и минимальные защиты напряжения. На этих элементах предусматриваются соответствующие устройства автоматики. Релейная защита и автоматика дополняют друг друга, влияют на выбор схем, параметров устройств релейной защиты и автоматики. Принципы действия и взаимодействия этих устройств целесообразно начать рассматривать применительно к защите и автоматике линий электропередачи. Результаты этого изучения являются основой при рассмотрении других элементов системы ЭСПП.

2.1. Основные органы токовой защиты

Токовыми называются защиты, для которых воздействующей величиной является ток, проходящий в месте их включения. Первыми токовыми защитами были плавкие предохранители. В системах с Uн ≤ 1 кВ они и сейчас широко применяются и подробно описаны в [1, 2, 11, 16], наряду с устройствами токовой релейной защиты, измерительными органами которой являются измерительные реле тока. Они включаются на полные токи фаз или на их симметричные составляющие. Параметрами защиты, требующими определения, являются: ток срабатывания Iс.з , выдержка времени, коэффициент чувствительности, ток возврата. Для первичных реле (рис. 1.1, а) [11] Iс.з = Iс.р, Iв.з = Iв.р. Токи срабатывания и возврата связаны коэффициентом возврата

Кв = Iв.р / Iс.р = Iв.з / Iс.з .

30