7.2. Струмові захисти ліній з одностороннім живленням

Струмові захисти – це захисти з відносною селективністю, які реагують на струм – тому і назва “струмові”. Залежно від способу забезпечення селективності є три види струмових захистів:

– максимальний струмовий захист (МСЗ);

– струмова відсічка (СВ);

– струмова відсічка з витримкою часу.

У максимальному струмовому захисті селективність забезпечується вибором часу спрацювання, в струмовій відсічці селективність забезпечується вибором струму спрацювання, у струмовій відсічці з витримкою часу – вибором струму та часу спрацювання.

Струмові захисти застосовуються для захисту ліній до 35 кВ включно від міжфазних к.з., при цьому для мереж 6 та 10 кВ вони є основними. Для мереж вищого класу напруг струмові захисти використовуються в основному для захисту ліній від однофазних к.з. на землю, а також резервують дію основних захистів від міжфазних к.з.

7.2.1. Максимальний струмовий захист

Принципова схема МСЗ показана на рис. 7.1. Вимірним органом МСЗ є максимальне струмове реле КА, яке спрацьовує при збільшенні струму у первинному колі (і відповідно у вторинному) до рівня струму спрацювання реле – уставки реле. Реле КА спрацьовує, замикає свої контакти і подає живлення на обмотку реле часу КТ, яке слугує для внесення затримки у спрацюванні захисту. Це необхідно для забезпечення селективної роботи МСЗ. Реле часу

спрацьовує та з витримкою часу подає живлення на обмотки вказівного реле КН та проміжного реле КL. Вказівне реле КH слугує для сигналізації про спрацювання даного захисту. Це реле залишається у спрацьованому стані навіть після припинення живлення його обмотки, тобто після повернення схеми у попередній стан після спрацювання. Якір реле може бути повернений у вихідне положення тільки вручну. Це необхідно для того, щоб обслуговуючий персонал міг встановити, який саме захист спрацював, тому що вся схема після вимкнення пошкодження повернеться у вихідний стан. Реле КL призначене для розмноження контактів (якщо потрібно комутувати одночасно декілька кіл) та для комутації кіл із значними струмами. Наприклад, для спрацювання електромагніту вимкнення вимикача 10 кВ потрібне протікання струму 1–4 А. Тому реле КL виконуються з потужними контактами. Після спрацювання проміжного реле КL подається живлення на електромагніт вимкнення вимикача YАТ, електромагніт спрацьовує, вимикач Q вимикається. Щоб запобігти згорянню котушки електромагніту вимкнення YAT за рахунок протікання по ній струму після вимкнення к.з., що може відбуватись при залипанні контактів проміжного реле KL, послідовно в колі живлення електромагніту YAT передбачені блок-контакти вимикача Q. Ці блок-контакти розмикаються під час вимкнення вимикача.

Рис. 7.1. Принципова схема МСЗ

Розрахунок МСЗ зводитъся до:

• розрахунку первинного струму спрацювання;

• розрахунку вторинного струму спрацювання залежно від прийнятої схеми захисту та типу реле;

• розрахунку часу спрацювання. Для захистів із залежною витримкою часу - вибору характеристики спрацювання.

Крім розрахунку основних параметрів спрацювання МСЗ здійснюється перевірка трансформаторів струму, а також перевірка термічної стійкості лінії під час протікання струму к.з. протягом вибраного часу спрацювання МСЗ.

Параметрами спрацювання МСЗ є струм та час спрацювання.

Вибір часу спрацювання МСЗ

МСЗ можна виконувати з незалежною або залежною від величини струму витримкою часу.

Селективність МСЗ А1 та А2 (рис. 7.2) забезпечується у випадку, коли час спрацювання МСЗ, розташованого ближче до джерела живлення, у цьому випадку захисту А7, буде більшим від часу спрацювання захисту більш віддаленого від джерела живлення - захисту А2, на величину At, яка називається ступенем селективності. Ця умова буде забезпечуватись, коли

де t_1з t₂ - час спрацювання відповідно захистів A1 та А2.

У випадку к.з. на лінії Л2 (рис. 7.2) спрацьовують вимірні органи двох захистів - А1 та А2, але за рахунок того, що час спрацювання захисту А2 є меншим від часу спрацювання захисту А], швидше спрацює захист А2 і подіє на вимкнення пошкодженої лінії Л2. Після вимкнення к.з. вимірний орган захисту А1 повертається у вихідний стан і не пошкоджена лінія Л1 не вимкнеться.

Ступінь селективності залежить від таких факторів:

де tq₂ - час спрацювання вимикача Q2 (0,05-0,3 с); t_n1, t_n2 - похибки у часі дії захистів

А1 та А2 відповідно ( для реле серії РТ-80 похибка становить 0,05-0,1 с, для реле РТВ - 0,3 с для незалежної частини характеристики та 0,8-1 с для залежної частини характеристики); t_iн1 -

інерційна похибка в дії захисту A1, якщо він виконаний на основі індукційного реле, яке внаслідок сили інерції деякий час продовжує працювати навіть після вимкнення к.з. захистом А2 на попередньому елементі (лінія Л2). Значения ∆t знаходиться в межах 0,4-1 с при застосуванні електромеханічних та напівпровідникових реле. Під час застосування цифрових захистів ступінь селективності можна зменшити до 0,3 с.

Якщо захист попереднього елемента (для лінії Л1 попереднім елементом є лінія Л2, рис. 7.2) виконаний без витримки часу, то ∆t приймається 0,4 с. Це ж значения ∆t можна приймати при застосуванні в схемі захисту реле часу типу ЭВ-120 (шкала 3,5 с) та ЭВ-110 (шкала до 1,3 с). Якщо в захистах, які узгоджуються, застосовуються реле часу типу ЭВ-130, ∆t приймається 0,6 с. Для захистів з реле типу РВМ-12 та РВМ-13 ∆t=0,5-0,6 с.

Рис. 7.2. Вибір витримок часу спрацювання МСЗ

Отже, вибір часу спрацювання максимальних струмових захистів послідовних ділянок мережі (рис. 7.2) здійснюється за ступінчастим принципом. Починається вибір із найвіддаленішої від джерела живлення ділянки. Час спрацювання МСЗ цієї ділянки вибирається на ступінь селективності більшим від максимального часу спрацювання захисту елементів, які живляться від підстанції, яку своєю чергою живить дана лінія. Час спрацювання МСЗ наступної ділянки вибирають на ступінь селективності більшим від часу спрацювання захисту попередньої ділянки. Тобто час спрацювання МСЗ елементів збільшується в міру наближення до джерела живлення.

Отже, при виборі часу спрацювання МСЗ необхідно користуватись таким правилом: час спрацювання наступного елемента (ближчого до джерела живлення) вибирається на ступінь селективності більшим від часу спрацювання попереднього елемента (більш віддаленого від джерела живлення).

Крім МСЗ з незалежною витримкою часу на практиці застосовують МСЗ із залежною витримкою часу. На відміну від МСЗ з незалежною витримкою часу в МСЗ із залежною витримкою часу час спрацювання залежить від величини струму. Так, під час к.з. в різних місцях лінії, яка захищається, час спрацювання МСЗ з залежною витримкою часу буде різний. Для цього використовують спеціальні реле, наприклад, реле серії РТ-80, цифрові реле з залежною характеристикою, в яких, чим більший струм, тим менший час спрацювання.

Вибір витримок часу із залежною від струму характеристикою здійснюється так (рис. 7.3). Будують залежну характеристику часу спрацювання від струму в реле для більш віддаленої ділянки, в даному випадку МСЗ А2. На цій характеристиці по осі абсцис відкладають значения струму в реле під час к.з. на початку лінії Л2 (точка К2) I р_К2 . Для цього струмузнаходять час спрацювання реле МСЗ А2 (на кривій рис. 7.3 точка А). До цього часу t₂ додають час, що дорівнює ступеню селективності At, отримують точку Б. Після цього вибирають характеристику реле МСЗ A1, яка повинна проходити через точку Б.

Під час вибору значения ступеня селективності ∆t необхідно користуватися такими правилами. Якщо захисти з залежною витримкою часу виконані на реле РТ-80 чи РТ-90, ∆t приймається 0,6 с, якщо на реле РТВ - ∆t=0,7 с.

Рис. 7.3. Вибір витримки часу МСЗ із залежною характеристикою

У випадку, коли узгодження захистів за часом здійснюється за струмами у залежній частині часових характеристик реле, то ∆t для реле РТВ приймається 1 с.

Рис. 7.4. Характеристики ви три мок часу МСЗ із залежною від струму витримкою часу

У МСЗ із залежною витримкою часу час спрацювання залежить від струму. Тому в міру наближення до джерела живлення із збільшенням струму к.з. час спрацювання є дещо меншим, ніж при застосуванні МСЗ із незалежною характеристикою витримки часу. Це ілюструється на рис. 7.4.

Вибір струму спрацювання

Уставка МСЗ за струмом вибирається з умови забезпечення таких вимог:

• неспрацювання захисту під час виникнення післяаварійних перевантажень;

• узгодження дії МСЗ з електромагнетами вимкнення та додатковими реле (останнє для схем захистів на змінному оперативному струмі з дешунтуванням електромагнетів вимкнення).

Струм спрацювання МСЗ вибираетъся з умови відлагодження від робочого максимального струму лінії. Як правило розрахунковими є післяаварійні режими, які супроводжуються значними перевантаженнями. Так, під час к.з. на лінії Л2 (рис. 7.2) спрацьовують пускові органи захистів А1 та А2. Після селективного вимкнення цього пошкодження захистом А2 пусковий органе/ повинен повернутись у вихідне положения. Тому струм повернення пускового органа МСЗ А1 повинен бути більшим від струму, який протікає через лінію Л1 після вимкнення пошкодження захистом А2.

Під час к.з. понижується напруга на шинах підстанції і двигуни, які живляться від цієї підстанції, загальмовуються. Після вимкнення к.з. та відновлення напруги на шинах підстанції двигуни починають самозапускатись. При цьому в лінії Л1 (рис. 7.2), яка живить підстанцію, зростає струм, що досягає значения, більшого від робочого максимального струму - струм самозапуску І_{самозапусК}у (рис. 7.5).

3 врахуванням вищенаведеного струм повернення вимірного органа МСЗ лінії Л1 (рис. 7.2) визначається з виразу

де k_від - коефіцієнт відлагодження, враховує неточність розрахунку, похибку реле, необхідний запас, k_від = 1Л-1,2 для реле РТ-40, 1,2-1,4 для реле РТВ; k_{с 3} - коефіцієнт, який враховує самозапуск двигунів, визначає відношення струму самозапуску двигунів до робочого максимального струму лінії, знаходиться в межах 1–5; I_{робмакс} – робочий максимальний струм лінії; k_TA – коефіцієнт трансформації трансформатора струму.

Рис. 7.5. Зміна струму в лінії під час та після вимкнення к.з.

Враховуючи, що коефіцієнт повернення реле визначається як к_пов = 1_пов /1_с.р.

отримуємо формулу для розрахунку струму спрацювання МСЗ (вторинного та первинного відповідно):

Рис. 7.6. До визначення коефіцієнту струморозподілу k_р

Для мережі (рис. 7.6а) значення коефіцієнту струморозподілу визначається як

Для мережі (рис. 7.6б) значення коефіцієнту струморозподілу визначається як

Для мережі (рис. 7.6в) значення коефіцієнту струморозподілу визначається як

З двох умов (7.3) та (7.4) вибирають більше значення.

Чутливість МСЗ оцінюється коефіцієнтом чутливості під час двофазного к.з. в кінці лінії у мінімальному режимі

де струм в реле під час двофазного к.з. в кінці лінії у мінімальному режимі;

струм спрацювання реле, визначається як

де k_с⁽_х³⁾ – коефіцієнт схеми; k_TA – коефіцієнт трансформації трансформатора струму, до якого під’єднаний вимірний орган МСЗ.

Якщо МСЗ виконує функції основного захисту, коефіцієнт чутливості повинен бути більшим 1,5.

У випадку, коли МСЗ виконує функції резервного захисту попереднього елемента (більш віддаленого від джерела живлення), чутливість МСЗ оцінюється під час двофазного к.з. в кінці попереднього елемента в мінімальному режимі. Коефіцієнт чутливості при цьому повинен бути не меншим 1,2.

Таким чином, розглянутий максимальний струмів захист має наступні особливості:

– розглянутий захист призначений для захисту ліній з одностороннім живленням від міжфазних к.з.;

– МСЗ забезпечує селективне вимкнення пошкодженого елемента тільки в радіальній мережі;

– у зв’язку з вибором часу спрацювання МСЗ за принципом збільшення в міру наближення до джерела живлення, може виникати недопустимо великий час спрацювання МСЗ ділянок ліній біля джерела живлення, де струми к.з. особливо великі;

– достатня чутливість МСЗ забезпечується не завжди, особливо при використанні його як резервного;

– в системах електропостачання промислових підприємств, міст та сільського господарства напругою 10 кВ та нижче МСЗ є основним захистом.