Основные книги / Релейная защита в пдф

4.2. Дифференциальные защиты

Для воздушных и кабельных линий в сетях напряжением 3-10 кВ с изолированной нейтралью в соответствии с требованиями ПЭУ следует предусматривать установку продольной дифференциальной токовой защиты (для коротких линий) в том случае, если токовая ступенчатая защита не обеспечивает требуемых быстродействия и селективности.

На коротких одиночных линиях 20 и 35 кВ с двусторонним питанием, когда это требуется по условиям быстродействия, допускается применение продольной дифференциальной защиты в качестве основной.

Для воздушных линий в сетях напряжением 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью в соответствии с ПУЭ при необходимости прокладки специального кабеля использование продольной дифференциальной защиты должно быть обосновано технико-экономическим расчетом.

81

Все вышеизложенное относится к защитам с непосредственным сравнением токов. Это может быть осуществлено путем соединения цепей трансформаторов токов, например, через телефонный кабель.

На рис. 4.5 в качестве примера приводится структурная схема продольной дифференциальной защиты линии типа 7SD60 с соединительными проводами. Защита состоит из двух полукомплектов S1 и S2, расположенных по концам защищаемой линии W.

В схеме используются суммирующие промежуточные трансформаторы СТ1, СТ2 при трехфазном исполнении защиты. Комплекты соединены двумя проводами, каждый из которых имеет сопротивление Rп/2.

В защите вычисляется дифференциальный ток Id I1 I2 как абсолют-

ное значение суммы векторов токов левого и правого плеч I1 и I2 . Тормозной ток вычисляется как сумма абсолютных значений этих же векторов

Is I1 I2 .

Тем самым реализуется алгоритм с торможением сравниваемыми токами. Контроль исправности соединительных проводов и обмен отключающими сигналами между полукомплектами S1 и S2 обеспечиваются наложением на

схему сравнения первичных токов высокочастотной последовательности импульсов. Кодированная последовательность импульсов генерируется одним из полукомплектов («ведущим») и принимается обоими полукомплектами. Трансформаторы ВЧ1 и ВЧ2 условно отображают гальваническое разделение цепей при передаче и приеме ВЧ-импульсов частотой 2000 Гц, форма которых изменяется в зависимости от передаваемой информации.

Дифзащиты с непосредственным сравнением токов по проводам ограничиваются длиной защищаемой линии (15 20 км) и наличием помех.

Рис. 4.6 демонстрирует два полукомплекта дифзащиты с обменом цифровыми сигналами, передаваемыми по волоконно-оптической линии связи (ВО) или по коммуникационной сети (КС). Защита содержит два полукомплекта S1 и S2 и коммуникационные преобразователи (КП).

82

Дифференциальные продольные защиты на основе обмена цифровыми сигналами могут быть дифференциально-фазными, но такие защиты применяются на линиях высоких классов напряжения и здесь не рассматриваются.

Рис. 4.6. Структурная схема продольной дифзащиты линии

На параллельных линиях в сетях напряжением 3-35 кВ в соответствии с требованиями ПУЭ могут применяться ступенчатые защиты тока или ступенчатые защиты тока и напряжения такие же, как и на одиночных линиях, а в сети 35 кВ – дистанционные.

Для ускорения отключения поврежденной линии на линиях с двухсторонним питанием может быть применена дополнительная защита с контролем направления мощности в параллельной линии. Эта защита может быть выполнена в виде отдельной поперечной токовой направленной защиты или только в виде цепи ускорения установленных защит (МТЗ, дистанционной) с контролем направления мощности.

На приемном конце двух параллельных линий с односторонним питанием, как правило, должна быть использована поперечная дифференциальная направленная защита.

Если защита, выполненная по вышеприведенным условиям, не удовлетворяет требованиям быстродействия, а защита с контролем направления мощности в параллельной линии неприменима или нежелательна, в качестве основной защиты на параллельных линиях с двусторонним питанием и на питающем конце двух параллельных линий с односторонним питанием следует применять поперечную дифференциальную направленную защиту.

83

Для режима работы одной из параллельных линий и отключенной второй линии на работающей линии должны быть предусмотрены ступенчатые токовые защиты.

На коротких параллельных линиях в отдельных случаях допускается применение продольной дифференциальной защиты.

Рассмотрим вариант установки поперечных дифференциальных направленных защит на обоих концах параллельных линий с односторонним питанием. Питание подается на подстанцию A, электрическая энергия передается на приемную подстанцию B (рис. 4.7). На подстанциях A и B установлены защиты, показанные

ввиде блоков с обозначениями KW (KW – реле направления мощности). Эти обозначения условные и просто означают то, что защита токовая направленная. При дальнейшем изложении будем называть эти поперечные дифференциальные токовые защиты просто защитами A и B.

При КЗ в точке K1 в середине линии W1 (рис. 4.7,а) ток КЗ II по линии W1

втри раза больше тока КЗ III, текущего по линии W2. Со стороны шин подстанции B к точке K3 K1 течет ток II=III, только этот ток находится в противофазе с током III.

Рис. 4.7. Поперечная дифференциальная направленная защита параллельных линий

84

Защита А реагирует на разность токов II и III, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q1. Защита В реагирует на разность фаз токов I'I и III, срабатывает и дает команду на отключение выключателя Q3. Таким образом, поврежденная линия W1 будет отключена с обеих сторон, а линия W2 остается в работе.

На рис. 4.7,б показан случай КЗ в точке K2 на середине линии WII. Защиты А и В срабатывают и отключают выключатели Q2 и Q4 линии WII.

Фазы токов на рис. 4.7,а и б показаны стрелками (направления токов). Особенности поперечной дифференциальной направленной защиты па-

раллельных линий легко обнаружить, детально рассмотрев поведение защит при КЗ в различных точках.

Если КЗ случится на шинах приемной подстанции В защиты А и В не срабатывают, так как токи II и III по линиям WI и WII одинаковы. На самом деле, за счет производственных допусков на сечения жил параллельных линий сопротивления линий WI и WII оказываются неодинаковыми даже при одинаковых сечениях. Значит, и токи КЗ будут отличаться. Вторичные токи трансформаторов тока также будут отличаться за счет их погрешностей по току и фазе.

Отсюда следует, что ток срабатывания защиты А и защиты В должен быть отстроен от тока небаланса при КЗ на шинах подстанции В.

Если мысленно перемещать точку K1 (K2) в сторону подстанции А, то она обязательно попадет в такое место на линии, при КЗ в котором ток КЗ со стороны шин подстанции В станет равен току срабатывания защиты В. При дальнейшем перемещении точки K1 вверх ток КЗ будет меньше тока срабатывания защиты В. Значит, эта точка есть граница мертвой зоны защиты В.

Аналогичная ситуация возникает при движении точки КЗ вниз – попадем в мертвую зону защиты А.

Следовательно, защита А имеет мертвую зону со стороны шин подстанции В, а защита В – со стороны шин подстанции А. При обеих установленных защитах мертвые зоны защит превращаются в зоны каскадного действия, так как действие одной из защит меняет картину растекания токов КЗ и вызывает действие другой защиты.

85

Но так как защита А и В, являясь дифференциальными, обладают свойством абсолютной селективности, то они работают без выдержки времени.

Отсюда следует, что КЗ в любой точке линии WI, WII отключается практически мгновенно.

Защита А сравнивает токи по амплитуде, защита В – по фазе. Отключение любой из параллельных линий по любой причине лишает

оставшуюся в работе линию вообще какой-либо защиты, поэтому в дополнение к защитам А и В следует предусматривать, например, МТЗ на выключателях Q1 и Q2. При этом защиты А и В оказываются бесполезными, поэтому обычно цепи питания этих защит включаются через последовательно соединенные блок-контакты выключателей: защита А – через блок-контакты выключателей Q1 и Q2, защита В – через блок-контакты выключателей Q3 и Q4.

И последняя особенность состоит в том, что МТЗ1 и МТЗ2 на выключателях Q1 и Q2, имеющие одинаковые выдержки времени, отстроенные от МТЗ линии, отходящей от шин подстанции В, при КЗ на шинах подстанции В за счет погрешности по времени будут срабатывать неодновременно. Это вызовет ложную работу защиты В. Для предотвращения этого в защиту В вводится задержка, перекрывающая разновременность защит МТЗ1 и МТЗ2.

Расчет поперечных дифференциальных направленных защит параллельных линий подробно описан в [4], там же приводится числовой пример расчета.

Параллельные линии под один выключатель могут защищаться поперечной ненаправленной защитой.

Раздел 5. Защита трансформаторов и электродвигателей

В разделе рассматриваются две темы:

-защита трансформаторов;

-защита электродвигателей.

Для закрепления теоретического материала по темам этого раздела предусмотрено практическое занятие «Расчет защит трансформатора»

В процессе изучения материалов этого раздела следует выполнить вторую часть курсовой работы – расчет защит трансформатора.

86

После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста № 5. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 220. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя.

При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 15 баллов из 100 возможных.

5.1. Защита трансформаторов

ПУЭ в разделе «Защита трансформаторов (автотрансформаторов) с обмоткой высшего напряжения 3 кВ и выше и шунтирующих реакторов 500 кВ» содержит требования к устройствам релейной защиты трансформаторов (автотрансформаторов), которая должна предусматриваться от следующих видов повреждений и ненормальных режимов:

1)многофазных замыканий в обмотках и на выводах;

2)однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью;

3)витковых замыканий в обмотках;

4)токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;

5)токов в обмотках, обусловленных перегрузкой;

6)понижения уровня масла;

7)частичного пробоя изоляции вводов 500 кВ;

8)однофазных замыканий на землю в сети 3-10 кВ с изолированной нейтралью, если трансформатор питает сеть, в которой отключение однофазных замыканий на землю необходимо по требованиям безопасности.

Для защиты от повреждений на выводах, а также от внутренних повреждений должны быть предусмотрены:

1. Продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени на трансформаторах мощностью 6,3 МВ·А и более, а также на трансформаторах мощностью 4 МВ·А при параллельной работе последних с целью селективного отключения поврежденного трансформатора.

87

2. Токовая отсечка без выдержки времени, устанавливаемая со стороны питания и охватывающая часть обмотки трансформатора, если не предусматривается дифференциальная защита.

Дифференциальная защита может быть предусмотрена на трансформаторах меньшей мощности, но не менее 1 МВ·А, если:

-токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с;

-трансформатор установлен в районе, подверженном землетрясениям. Указанные защиты должны действовать на отключение всех выключа-

телей трансформатора.

Более подробно требования и защиты трансформатора рассматривались в дисциплине «Электроэнергетика. Ч. 2».

Враспределительных сетях широко применяются одно- и двухтрансформаторные понизительные подстанции.

Рассмотрим кратко расчет защит трансформатора на однотрансформаторной подстанции. Трансформатор двухобмоточный, высшее напряжение 10 кВ, низшее 0,4 кВ. Мощность трансформатора 4 МВ·А.

Всоответствии с требованиями ПУЭ на таком трансформаторе должны быть установлены следующие виды защит:

- максимальная токовая защита; - токовая отсечка; - газовая защита.

Схема подстанции показана на рис. 5.1,а. МТЗ и ТО установлены на стороне 10 кВ. ТО – это защита от внутренних повреждений трансформатора, ток срабатывания ее отстраивается от тока КЗ в точке K1. В зону действия этой защиты входит не весь трансформатор, в некоторых случаях только первичная обмотка. Защита мгновенного действия. Ток срабатывания ТО

Iсзо Kн IКЗ(3)maxК1 ,

где Kн = 1,25…1,3 – коэффициент надежности;

I(3)КЗ maxK1 – ток трехфазного КЗ в точке K1, приведенный к напряжению 10 кВ, в максимальном режиме системы.

88

Рис. 5.1. Схема подстанции (а) и схема подключения защиты (б)

МТЗ – это защита от внешних междуфазных КЗ и от КЗ в трансформаторе в зоне, не охваченной токовой отсечкой. Эта защита является резервной защитой шин 0,4 кВ на случай отказа в работе автомата QF. Ток срабатывания МТЗ отстраивается от максимального рабочего тока трансформатора со стороны 10 кВ.

где Kн = 1,2 – коэффициент надежности;

Kс зап – коэффициент самозапуска электродвигателей; Kв – коэффициент возврата реле тока;

Iраб max – максимальный рабочий ток трансформатора со стороны 10 кВ, равный

Iраб max=КпIт ном1,

где Kп – коэффициент перегрузки; для однотрансформаторной подстанции Kп = 1, для двухтрансформаторной подстанции Kп > 1;

Iт ном1 – номинальный первичный ток трансформатора.

Для двухтрансформаторной подстанции возможна перегрузка в случае отключения второго трансформатора. Коэффициент перегрузки определяется видом трансформатора (масляный или сухой), его мощностью и условиями работы трансформатора по ГОСТ 14209-97 «Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов».

Выдержка времени МТЗ по условиям эксплуатации, а не по требованию селективности выбирается на ступень выше времени срабатывания автомата при КЗ в точке K1.

tсз = ta + t,

где ta – время срабатывания автомата при КЗ в точке K1;

89

t – ступень селективности.

Газовая защита в соответствии с требованиями ПУЭ на трансформаторах такой мощности устанавливается и действует при межвитковых замыканиях в обмотках трансформатора.

Современные цифровые защиты трансформаторов осуществляют полную защиту и реализуют множество других функций.

Рассмотрим на примере цифровой защиты Sepam фирмы Sheneider Electric методику расчета продольной дифференциальной защиты трансформатора.

Цифровая дифференциальная защита трансформаторов обычно выполняется с торможением, характеристика такой защиты обычно состоит из трех участков: горизонтального, следующего за ним наклонного (с малым углом наклона) и наклонного с большим углом наклона.

Фирмы-изготовители цифровых защит придерживаются примерно одинаковой идеологии. Разработки фирмы Sheneider Electric в этой части являются типичными, их можно рассматривать как некое обобщение вопросов выполнения и расчета дифференциальных защит.

В соответствии с материалами по защите Sepam изложим основные сведения о дифференциальной защите трансформатора (код ANSI87T).

На рис. 5.1,б показана схема подключения защиты к защищаемому трансформатору, там же даны обозначения токов двух сторон трансформатора, трансформаторы тока на каждой стороне трансформатора включены в схему звезды.

Принцип действия защиты основан на формировании дифференциального тока в виде абсолютного значения геометрической суммы токов сторон трансформатора

Idx Ixm Ixm ,

где x = 1, 2, 3 – номера фаз; Idx – дифференциальный ток защиты;

Ixm , Ixm – откорректированные векторы токов фаз с обеих сторон трансформатора.

90