НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

                 АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

               Кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий» 

 

 

 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

«Релейная защита электроэнергетических систем»

Конспект лекций

(для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика)

  

 

Алматы, 2008 

СОСТАВИТЕЛЬ: М.В. Башкиров. Электроэнергетика. Релейная защита электроэнергетических систем. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2008. – 56 с.

В конспекте лекций по дисциплине «Релейная защита электроэнергетических систем» приведены основные виды защит линий 10-220кВ, трансформаторов, шин.

  

                                    Содержание

1 Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока………...………4

2 Ненаправленные токовые защиты ………………….…………………..…........8

3 Токовые направленные защиты ………………...………………..…..…..........13 

4 Токовые защиты от коротких замыканий на землю в сетях с большими……..

токами замыкания ……………………………………………….………….…….16

5 Защита от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ ……….………...………........22

6 Продольная дифференциальная защита линий …………………...……...…...27

7 Поперечная дифференциальная защита линий……………..…………......……….31

8 Дистанционная защита линий. …………………………………..……......……35

9 Высокочастотные защиты………………………………………………………39

10 Резервные защиты трансформаторов и трансформаторов..………...…..…...44

11 Основные токовые защиты трансформаторов и автотрансформаторов…….......48

12  Газовая защита трансформаторов. ..………………….………….………51

13 Защита сборных шин …………………………………………………………….53

Список литературы ………………………………………………………………….56 

 

Лекция 1. Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока

 Содержание лекции: приведены основные схемы соединений трансформаторов тока, векторные диаграммы для различных видов КЗ

 Цель лекции: изучить основные типовые схемы соединений трансформаторов тока и выяснить распределение вторичных токов при различных видах КЗ, получить представление о коэффициенте схемы.

 1 Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока

 1.1 Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду.

 Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым (рис. 1.1). В нулевую точку объединяются одноименные за­жимы обмоток ТТ. Стрелками показаны условные положитель­ные направления первичных и вторичных токов с учетом по­лярности обмоток ТТ, начала которых обозначены точками.

                                   

Рисунок 1.1- Схема соединений ТТ и обмоток реле в звезду

 При нормальном режиме и трехфазном КЗ, как показано на рисунке 1.1, в реле I, II и III проходят токи фаз Iа = IA / KI;     

Ib = IB /KI; Ic = IC / KI, а в нулевом проводе  их гео­метрическая сумма:

Iн.п = (Iа + Ib + Iс),                                    (1.1)

которая при симметричных режимах равна нулю (рисунке 1.2, а). При двухфазных КЗ ток проходит только в двух повреж­денных фазах и соответственно в реле, подключенных к ТТ поврежденных фаз (рисунке 1.2, б), ток в неповрежденной фазе отсутствует:

IC = -IB.

Ток в нулевом проводе отсутствует как в нагрузочном (сим­метричном) режиме, так и при трех- и двухфазных КЗ. Однако в результате неидентичности характеристик и погрешностей ТТ в нулевом проводе протекает ток небаланса Iн.п = Iнб: в нор­мальном режиме он имеет значение 0,01-0,2 А, а при КЗ воз­растает.

При однофазных КЗ первичный ток протекает только по одной поврежденной фазе (рисунке 1.2, в). Соответствующий ему вторичный ток протекает также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу.

Нулевой провод схемы соединения в звезду является фильт­ром токов НП. 

       

                                                                                     

Рисунок 1.2- Векторная диаграмма токов

 Токи прямой и обратной последовательностей, как видно из рисунке1.3 а, в нулевом проводе не проходят, так как сумма векторов каждой из этих систем равна нулю (рисунок 1.3, б, в). Токи же НП совпадают по фазе и поэтому в нулевом проводе проходит утроенное зна­чение этого тока: Iн.п = 3I0.

 

Рисунок 1.3- прохождение токов симметричных составляющих

 При нарушении (обрыве) вторичной цепи одного из ТТ в нулевом проводе возникает ток, равный току фазы, что может привести к непредусмотренному действию реле, установлен­ному в нулевом проводе. В рассмотренной схеме реле, установ­ленные в фазах, реагируют на все виды КЗ, а реле в нулевом проводе - только на КЗ на землю. Схема соединения ТТ и об­моток реле в звезду применяется в РЗ, действующих при всех видах КЗ.

Как рассматриваемая, так и другие схемы соединения ТТ и реле характеризуются отношением тока в реле Iр к току в фазе Iф, которое называется коэффициентом  схемы:

kсх = Ip / Iф.                                                 (1.2)

Для схемы соединения в звезду kсх = 1.

 

1.2 Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду

 

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах и соеди­няются так же, как и в схеме соединения в звезду (рисунке 1.4 а). В реле I и III проходят токи соответствующих фаз

Ia =IA/KI   и Ic = Ic/KI,

а в обратном (общем) проводе (реле IV) ток равен их геометри­ческой сумме:

Iо.п = IIV = -(Iа +Iс).                              (1.3)

С учетом векторной диаграммы Iа + Ic = -Ib, т. е. Io.п равен току фазы, отсутствующей во вторичной цепи (рисунок  1.4, б).

 

 

                  

Рисунок 1.4-Схема соединения ТТ и обмоток реле

в неполную звезду

 

При трехфазном КЗ и в нормальном режиме токи проходят по обоим реле I и III и в обратном проводе. В случае двухфазного КЗ токи появляются в одном или двух реле (I и III) в зависимости от того, какие фазы поврежде­ны. Ток в обратном проводе при двухфазных КЗ между фазами А и С, в которых установлены ТТ согласно рисунку 1.2, б  с учетом того, что  Ic = -Iа, равен нулю, а при замыканиях между фазами АВ и ВС он соответственно равен: Io.п = -Iа и Io.п = -Ic.

В случае однофазного КЗ фаз (А или С), в которых установлены ТТ, во вторичной обмотке ТТ и обратном проводе проходит ток КЗ. При замыкании на землю фазы В, в которой ТТ не установлен, токи в РЗ не появляются. Коэффициент схемы  kcx= 1.

  

1.3 Схема соединения с двумя ТТ и одним реле, включенным на разность токов двух фаз.

 

Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах (например, А и С на рисунке 1.5); их вторичные обмотки соединяются разноименными зажимами, к которым подключается обмотка реле. Из токораспределения, показанного на рисунке 1.5 для случая, когда по первичной цепи проходят положительные токи IА, IВ, IС, находим, что ток в реле Ip равен геометрической разности токов двух фаз Iа и Ic, т.е.

Ip  =   IaIc,                                                        (1.4)

где Ia= IA / KIIc = IC / KI.

При симметричной нагрузке и трехфазном КЗ разность то­ков   IaIc в  раз больше тока в фазе (Ia и Ic) и, следовательно,

I(3)p = Iф.                                                                   (1.5)

При двухфазном КЗ АС (фазы, на которых установлены ТТ):

             I(2)p = Ia – (-Ic) = 2Iф,                                                         (1.6)         

где Iф =          .

 

При двухфазных КЗ АВ или ВС в реле поступает ток только одной фазы Iа или Iс:

I(2)p = Iф,                                                               (1.7)

где Iф = Ia или Iф = Ic.

Из (1.5а) - (1.7в) следует, что данная схема по сравнению со схемами полной и двухфазной звезды имеет худшую в  раз чувствительность при КЗ между фазами АВ и ВС.

                            

 

Рисунок 1.5 - Схема соединения ТТ                 Рисунок 1.6 - Схема соединения    

ТТ   на разность  токов двух фаз                       в  фильтр токов нулевой 

                                                                              последовательности              

 

1.4 Схема соединения ТТ в фильтр токов НП

 

Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы  вторичных обмоток соединяются параллельно, и к ним под­ключается обмотка реле КА   (рисунок 1.6). Ток в реле равен геомет­рической сумме вторичных токов трех фаз:

Ip = Iа + Ib + Ic = 3I0.

Рассматриваемая схема является фильтром токов НП. Ток в реле появляется только при одно- и двухфазных КЗ на землю. Поэтому схема применяется для РЗ от КЗ на землю.

Включение реле по схеме на рисунке 1.6 равносильно его вклю­чению в нулевой провод звезды по рисунку 1.1.

Лекция 2.  Ненаправленные токовые защиты

 Содержание лекции:  приведены основные виды токовых защит от междуфазных КЗ в сетях 10-35кВ.

 Цель лекции: изучить  принцип действия максимальной токовой защиты, токовой отсечки, способы достижения селективности и повышения коэффициента чувствительности.

 2.1 Максимальная токовая защита. Принцип действия токовых защит

 Одним из признаков возникновения КЗ является увеличе­ние тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения РЗ, называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значе­ния. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, слу­жат максимальные токовые реле.

Токовые РЗ подразделяются на максимальные то­ковые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия максимальных токовых РЗ дости­гается с помощью выдержки времени. Селективность токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока сра­батывания.

Принцип действия и селективности защиты. Максимальные токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для се­тей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждой ЛЭП со стороны источника питания (рисунок   2.1, а). Каж­дая ЛЭП имеет самостоятельную РЗ, отключающую ЛЭП в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее ПС, и резервирующую РЗ соседней ЛЭП.

    При КЗ в какой-либо точке сети, например в точке К1 (рисунок 2.1, а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположен­ным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все РЗ (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только РЗ 4, установленная на поврежденной ЛЭП. Для обес­печения указанной селективности МТЗ выполняются с выдерж­ками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на рисунке 2.1, б. При соблюдении это­го принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты 1, 2 и 3, имеющие большие выдержки времени, вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при КЗ в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3, а МТЗ 1 и 2, име­ющие большее время, не успеют подействовать.

  

 

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) размещение МТЗ б) выдержки времени МТЗ выбранные по ступенчатому принципу;

Рисунок 2.1- Максимальные токовые РЗ в радиальной сети

 

         Принципиальные схемы  МТЗ на постоянном оперативном токе. Схемы на электромеханических реле.

 На рисунке 2.2 приведе­на трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханиче­ских реле, которые  пока еще преобладают в  электрических сетях нашей страны. Три измеритель­ных органа (рисунок2.2 , а) выполняются   с   помощью   трех   реле РТ-40, орган времени - с помощью реле типа РВ-100,

 а) – токовые цепи; б)- оперативные цепи защиты

Рисунок 2.2- принципиальная схема трёхфазной МТЗ

 

исполнительный элемент - посредством промежуточного реле типов РП-20, РП-16 или других промежуточных реле, контакты которых  рассчитаны на ток

электромагнита отключения выключателя. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита действует при всех видах КЗ

Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется  постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями.

 

2.2 Выбор тока срабатывания

 Исходным для выбора тока срабатывания МТЗ является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях на защищаемом участке, но в то же время не действовала при максимальном рабочем токе нагрузки Iн тах и кратковременных перегрузках, вызванных пуском и самозапуском электродвигателей, а также нарушением нормального режима электрической сети.

Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвигателей принято оценивать коэффициентом самозапуска kсэп, показывающим, во сколько раз возрастает ток Iр тах.

Для отстройки МТЗ от Iн max необходимо выполнить два условия. По первому условию МТЗ, пришедшая в действие при КЗ в сети (вне защищаемой ЛЭП), должна надежно возвращаться в исходное состояние после отключения КЗ при наличии в защищаемой ЛЭП тока нагрузки Iн та.

По первому условию:

Iс.з = (koтc / kв) kсэпIp                                          (2.1)

По второму условию ИО тока, находящиеся в состоянии не ­действия МТЗ, не должны срабатывать при появлении Iн тах:

Iс.з > Iн max.                                    (2.2)

 

2.3 Токовые отсечки. Принцип Действия токовых отсечек

 Отсечка является разновидностью МТЗ, позволяющей обес­печить быстрое отключение КЗ. Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного действия и  отсечки с выдержкой времени.

Селективность токовых отсечек достигается ограничением их зоны действия так, чтобы отсечка не работала при КЗ за пределами этой зоны, на смежных участках сети, РЗ которых имеет выдержку времени, равную или большую, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки (Ic.з) должен быть больше максимального тока КЗ   (Iк mах), проходящего через нее при повреждении в конце участка (например, AM на рисунке 2.3, за пределами которого она не должна работать:

Iс.э >IкM.

Зона действия мгновенной отсечки по условиям селективности не должна выходить за пределы защищаемой ЛЭП. Зона действия отсечки, работающей с выдержкой времени, выходит за пределы защищаемой ЛЭП и по условию селективности должна отстраиваться от конца зоны РЗ смежного участка по току и по времени. Токовые отсечки применяются как в радиальной сети с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание.

Подпись:  


                                      

                       

 

 

                  

 

 

  

Рисунок 2.3- Принцип действия токовой отсечки

Схемы цепей постоянного тока отсечек изображены на рисунке 2.4, а, б. Схемы отсечек, выполненные на электромеханических реле и на постоянном оперативном токе, аналогичны схемам МТЗ.

Схемы отсечек с выдержкой времени полностью совпадают со схемами МТЗ с независимой выдержкой времени. Схемы отсечек без выдержки времени отличаются от схем МТЗ отсутствием реле времени.

 

                          Подпись:

 

      

                                                       

 

 

 

                                  

Рисунок 2.4 – Схема цепей постоянного тока токовой

отсечки на электромеханических реле

2.4 Максимальная токовая защита с пуском от реле напряжения

 Для повышения чувствительности МТЗ дополняется измерительным органом (блокировкой) напряжения (ОН), который, разрешая РЗ действовать при КЗ, запрещает ей срабатывать (блокирует) в режиме максимальной нагрузки и при самозапуске электродвигателей.

Структурная схема МТЗ с дополнительным органом напряжения показана на рисунке 2.5 Измерительный орган напряжения (ИОН) выполняется с помощью реле минимального напряжения KV и действует совместно с реле КА измерительного органа тока (ИОТ) по логической схеме И на пуск реле времени.

Во время КЗ, когда возрастает ток и уменьшается напря­жение, срабатывают оба измерительных органа ИОН и ИОТ и с заданной выдержкой времени МТЗ действует на отключение. Если же в результате перегрузки защищаемого элемента токовые реле КА приходят в действие, ИОН блокирует РЗ, так как реле напряжения не действуют. Не действие ИОН при перегрузке обеспечивается выбором уставки срабатывания реле KV такой, чтобы оно не срабатывало при минимальном рабочем напряжении Up min.

           а)_оперативные цепи   б) цепи переменного напряжения

Рисунок 2.5 -Максимальная токовая защита

 с пуском от реле напряжения

 

 

 

 

 
Пусковой орган по напряжению в схеме на рисунке 2.5 выполнен с тремя реле, включенными на междуфазные напряжения (рисунок 2.5, б). Такая схема обеспечивает надежное срабатывание ИОН при любом виде междуфазных КЗ, поскольку при этом значительно снижается хотя бы одно из междуфазных напряжений.

 Лекция 3.  Токовые направленные защиты

 

Содержание лекции: приведены схемы направленной защиты, в двухрелейном исполнении и её работа при КЗ на линии.

 Цель лекции: выяснить необходимость применения направленных защит в сетях с двумя источниками питания и изучить принцип действия направленных защит.  

 

3.1 Токовая направленная защита в сетях с двухсторонним питанием.

 Направленной называется РЗ, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ SK. Необходимость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двусторонним питанием (рисунок 3.1, а) и в кольцевых сетях с одним источником питания (рисунок 3.1, б). При двустороннем питании места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна устанавливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП, как показано на рис. 3.1.

Самым простым способом РЗ от КЗ, как и в сетях с односторонним питанием, может служить защита, реагирующая на возникновение тока КЗ. Однако простая МТЗ, реагирующая только на значение тока (рассмотренная выше), в подобных сетях не может обеспечить селективного отключения повреждения.

Подпись:                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           а)- радиальная сеть;     б) - кольцевая сеть

 

 
Рисунок 3.1- Схема сети с двухсторонним питанием и размещение РЗ в   этих сетях

Для селективного действия необходимо ее дополнить реле направлением, реагирующим на знак мощности, протекающей по защищаемому присоединению. Действительно, предположим, что в сети на рисунке 3.1, а на всех ЛЭП установлены МТЗ, и рассмотрим действие одной из них - например 5'. При КЗ в точке К1 выдержка времени защиты 5' должна быть меньше времени действия РЗ 6', 7' и 8', т. е. t5' < t6', t7' и t8'. В слу чае же КЗ в точке К2 МТЗ 5' должна действовать медленнее РЗ 6' (t5' > t6'). Одновременное выполнение обоих требований невозможно. Так, при выполнении первого требования (т. е. при t5' < t6') МТЗ 5' будет действовать неселективно при КЗ на W3. Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ 5' направленной защитой 5, действующей только при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. При этом РЗ 5 не будет действовать при КЗ на W3, так как в этом случае мощность КЗ будет направлена из линии к шинам и поэтому второе требование (t5 > t6) отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных МТЗ сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени РЗ, действующих в одном направлении, по ступенчатому принципу. Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной РЗ в сетях с двусторонним питанием:

1) защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой ЛЭП и действовать на отключение при появлении тока КЗ, если мощность направлена от шин в линию (рисунок 3.1);

2) выдержки времени на РЗ, работающих при одном направ­лении мощности (от генератора А или генератора В), должны согласовываться по ступенчатому принципу, нарастая по на­правлению к источнику питания: у РЗ, действующих от тока источника А, выдержка времени t6 < t4 < t2; у РЗ, действующих от тока источника В, t3<t5<t7.

 

Рисунок 3.2 – Функциональная схема и принцип действия токовой направленной защиты

 Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реагировать на значение тока и направление мощности в поврежденных фазах защищаемой ЛЭП. Структурная (функциональная) схема НТЗ, наиболее часто применяемая и показанная на рисунке 3.2 состоит из трех основных элементов (органов): два пусковых реле тока КА (органы тока), которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW (органы направления мощности - OHM), которые срабатывают при направлении мощности от шин в ЛЭП и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то реле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ, логической схемы (органы логики), которая действует по заданной программе: получив сигнал о срабатывании органа тока, OHM формирует сигнал о срабатывании РЗ, который с заданной выдержкой времени поступает на ЭО выключателя и производит его отключение.

Подпись:                      

 

 

 

 

 

 

а) цепи переменного  тока    б) цепи напряжения

Рисунок 3.3- Двухфазная схема направленной МТЗ с

электромеханическими реле

 

                                   

Рисунок 3.4 - Оперативные цепи двух релейной направленной МТЗ

 Пусковое реле тока КА включают на ток фазы ЛЭП, а реле направления мощности (РHМ) - на ток той же фазы и соответствующее междуфазное напряжение (рисунок 3.3). Поведение РHМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам:

                                                   Sp = UрIр5sin(-р),                                         (3.1)

где   - угол сдвига между напряжением и током в цепи напряжения реле (угол внутреннего сдвига);

р - угол сдвига между Up и Ip.

При КЗ на защищаемой ЛЭП Sp положительно (+ Sp), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение.

При КЗ на защищаемой ЛЭП W1 (см. рис. 7.1) или на следующем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (рисунок 3.1). На выходе элемента И появляется сигнал, который приводит в действие КТ (рисунок. 3.1 и 3.4). Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий команду на отключение выключателя. При КЗ на других присоединениях данной подстанции (W2 на рисунке 3.1). КА срабаты­вает, если Iк > Iс.з, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют.

Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле.

В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраивать от тока нагрузки (Iс.з > Iн max).

При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше Iс.з, мощность Sp на зажимах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой  следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т. е. последовательное срабатывание РЗ и отключение выключателей, установленных по кон­цам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 из­мерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый мо­мент возникновения повреждения из-за недостаточной чув­ствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 по­действует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1.

 

Лекция 4. Токовые защиты от коротких замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания

Содержание лекции: приведены схемы защиты линий от коротких замыканий на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью, рассмотрен принцип их действия

 Цель лекции: изучаются распределение токов нулевой последовательности в сетях с глухозаземленной нейтралью, и виды схем направленных и неаправленных защит от КЗ на землю.

 4.1 Защита от коротких замыканий на землю в сети с глухозаземленной нейтралью

 Для защиты ЛЭП от КЗ на землю (одно- и двухфазных) применяется РЗ, реагирующая на токи и мощности нулевой последовательности (НП). Эта РЗ осуществляется более просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше МТЗ, реагирующей на полные токи фаз. Защиты НП выполняются в виде МТЗ НП и отсечек как простых, так и направленных.

                   

Рисунок 4.1- Однофазное КЗ в сети (а) и прохождение

токов Iпод действием U0  (б)

 При однофазном КЗ ток НП в месте повреждения IОК равен 1/3 тока КЗ в поврежденной фазе и совпадает с ним по фазе, а напряжение UOK в точке КЗ равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Под действием напряжения НП, возникающего в месте повреждения (точка К на рисунке 4.1), возникают токи Iок, которые замыкаются по контуру фаза-земля через место повреждения (точку К) и заземленные нейтрали. Таким образом, при КЗ на землю появление токов I0 возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземленными нейтралями. При нескольких заземленных нейтралях ток НП от места повреждения разветвляется между ними обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. На рисунке 4.2 показаны характерные случаи распределения токов НП в схемах сети. Направление токов, проходящих к месту КЗ, принято за положительное. Если заземлена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП, то при КЗ на землю на ней токи НП проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нейтралью (рисунок 4.2а). Если же заземлены нейтрали трансформаторов с двухсторон рассматриваемого участка (рисунок 4.2,б), токи НП проходят с обеих сторон от места КЗ. Это позволяет сделать вывод, что распределение токов НП в сети определяется расположением не генераторов, а заземленных нейтралей. Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда-треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов НП на стороне звезды. Поэтому РЗ, установленные в сети звезды, не действуют при замыканиях на землю в сети треугольника.

Схема и принцип действия защиты.

Ненаправленная МТЗ НП применяется в сети с односторонним питанием места КЗ током Iо, т. е. при расположении трансформаторов с заземленной нейтралью с одной стороны защищаемого участка. Функциональная схема этой РЗ состоит из одного ИО - пускового токового реле КАО (рис.4.3, а, б), реле времени КТ и исполнительного реле KL. Реле тока КАО включено на фильтр тока НП, в качестве которого используется нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды. Ток в КАО равен геометрической сумме вторичных токов трех фаз:

Iр = Iа + Ib + Ic = 3I0 / КI.                                   (4.1)

При появлении тока 3I0 реле КАО срабатывает и приводит в действие реле времени КТ; последнее через время t подает сигнал на промежуточное реле KL, которое дает команду на отключение выключателя.

Согласно (4.1) ток в пусковом реле РЗ появляется только в том случае, когда имеется ток I0, поэтому МТЗ НП, показанная на рисунке 4.3, может работать только при одно- и двухфазных КЗ на землю.

При междуфазных КЗ (без "земли"), а также при нагрузке и качаниях МТЗ НП не действует, поскольку в этих режимах сумма токов IА + IB + IC = 0 и ток 3I0 отсутствует. Важным преимуществом МТЗ НП является то, что она не реагирует на нагрузку. Благодаря этому ее не требуется отстраи­вать от токов нормального режима и перегрузок, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность этой РЗ по сравнению с МТЗ, реагирующими на фазные токи.

Однако в действительности работа МТЗ НП осложняется погрешностью ТТ, обусловленной их током намагничивания . Поэтому в режимах, когда имеет место баланс первичных токов (IA + IB + IC = 0)> сумма вторичных токов Iа + Ib + Ic  0. В нулевом проводе и пусковом реле МТЗ НП появляется остаточный ток, называемый током небаланса (Iнб), который может вызвать нежелательное действие РЗ при отсутствии первичного тока I0.Значение Iнб можно найти, если  учесть токи намагничивания ТТ:

  

(4.2)

 
 

 

 Очевидно, что второй член в (4.2) является током небаланса. Обозначив его Iнб и выразив первый член  через I0, полу­чим                 

Ip = (3I0)/KI - Iнб.                                                        (4.3)

Выражение (4.3) показывает, что ток в пусковом реле МТЗ НП состоит из двух слагающих: одно обусловлено первичным током I0 и второе - погрешностью ТТ. Последнее искажает значение тока 3I0, на которое реагирует МТЗ НП.


    а) –при заземлении нейтрали с одной          б) -при заземленных  нейтралях

            стороны ЛЭП                                                  с обеих сторон ЛЭП

Рисунок 4.2-Распределение токов нулевой последовательности

при однофазных КЗ


     а) – структурная схема        б) токовые цепи    в) схема оперативных цепей  

      4.2 Токовые направленные защиты нулевой последовательности

 

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной подстанции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ KWO, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рисунке 4.4 а. По этой схеме выполняются защиты как на электромеханических, так и на полупроводниковых реле. Схема состоит из пускового реле КАО, реагирующего на появление КЗ на землю (рисунок 4.4 б), реле направления мощности KWO, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3I0 в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РНМ подводится напряжение 3U0 от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении реле KWO реагирует на мощность НП S0 = U0I0. С учетом угла сдвига между векторами U0I0  90° и равенств Uр = 3U0, Iр = 3I0 используются реле НП, реагирующие на мощ­ность:

Sp = UpIpsin( - р) = 9U0I0sin( - p),                              (4.4)

где р = 0 - угол сдвига фаз между Up и Iр или U0 и I0.

          

  а)  структурная схема;  б) схема цепей тока и напряжения;

                     в) цепи оперативного тока   

 

4.3  Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности

В сетях 110 кВ и выше большое распространение получила ступенчатая НТЗ НП, а на радиальных ЛЭП с односторонним питанием током I0 и ненаправленная МТЗ НП. Ступенчатая РЗ состоит из сочетания отсечек без выдержки и с выдержкой времени и МТЗ НП. ЧЭАЗ выпускает эту РЗ в комплекте с дистанционной РЗ типа ЭПЗ-1636 и с дистанционной РЗ на ИМС - типа ЩДЭ-2801. Схема и характеристика подобной 4х-ступенчатой НТЗ НП приведены на рисунке 4.5.

Первая ступень РЗ является отсечкой без выдержки времени, выполняется с помощью реле тока КА01 и направления мощности KWO, обеспечивает быстрое отключение КЗ в первой половине защищаемой ЛЭП. Вторая ступень отстраивается от токовой отсечки следующего участка и имеет tII = 0,4  0,6 с; она осуществляется посредством реле КА02 и реле времени КТ1, обеспечивает РЗ второй половины защищаемой ЛЭП. Третья ступень отстраивается от второй ступени РЗ следующего участка и имеет выдержку времени tIII = 0,9  1,1 с, она выполняется с помощью реле КАОЗ и КТ2, служит для резервирования ЛЭП, отходящих от шин противоположной ПС. Четвертая ступень предназначена для резервирования РЗ следующего участка с наибольшим коэффициентом чувствительности. Она выполняется с помощью реле КА04 и КТЗ. Для отстройки отсечки от действия разрядников предусмотрено промежуточное реле KL1 с временем срабатывания 0,03- 0,06 с.

 

 

 

 

                       а) –цепи тока и напряжения;   б) оперативные цепи;

 

 
                   в) характеристика времени действия трехступенчатой защиты 

                      нулевой последовательности согласование её со смежной РЗ 

Рисунок 4.5 - Четырехступенчатая защита нулевой последовательности

 

4.4 Оценка и область применения токовых ступенчатых защит НП

 В отечественных энергосистемах МТЗ НП получила широкое распространение в сетях 110-1150 кВ. Положительными каче­ствами РЗ являются простота схемы, высокая надежность и чувствительность; OHM, как правило, работает в условиях наибольшей чувствительности. Практически на всех ЛЭП сред­ней и большой протяженности успешно применяются отсечки и вместе с тем многоступенчатые МТЗ НП. К недостаткам, свойственным принципу действия РЗ, сле­дует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи ТТ, а НТЗ НП имеет мертвую зону по на­пряжению при удаленных КЗ. Важным условием стабильности зон РЗ является стабильность заземленных нейтралей транс­форматоров и автотрансформаторов электрической схемы энер­госистемы.

 

Лекция 5.  Защита от замыканий на землю в сетях 10-35 кВ

 

Содержание лекции: изучаются способы защиты линий от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, особенности защиты кабельных линий

 

Цель лекции: выяснить распределение токов нулевой последовательности  при замыкании на землю в сетях с изолированной нейтралью, изучить специфические особенности подобных защит

 

5.1 Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью, токи и напряжения при однофазном замыкании на землю.

    В отечественных энергосистемах электрические сети напряжением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое индуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а также с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождается появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети.

Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в сети и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (К(1)3) в режиме, когда нейтраль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор.

 

Рисунок 5.1 – Протекание фахных токов при замыкании на землю

в сети с изолированной нейтралью

 Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЗДС фаз источника питания. На рисунке 5.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене­ратором или понижающим трансформатором) и одной экви­валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распреде­ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива­лентной сосредоточенной емкостью С0. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения.

 

 а) – в нормальном  симметричном режиме; б) при замыкании одной фазы на

                                                                                землю

Рисунок 5.2 - Векторные диаграммы фазных токов и напряжений

 

В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям UA, UB, UC которые при отсутствии нагрузки равны ЭДС источника питания ЕА, ЕB, ЕC. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рисунок  5.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали N отсутствует: UN = 0. Под действием фазных напряжений че­рез емкости фаз относительно земли САB,CC проходят токи, опережающие фазные напряжения на 90°:

IA = UA / -jXC;     IВ = UB /-jXC;    IC = UC /-jXC,  где

XC = 1 / .                                                     (5.1)

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3I0 отсутствует (рисунок  5.2, а).

Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (рисунок 5.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (UA = 0). Напряжение нейтрали U(1)N по отношению к земле становится равным UN = UKN                  (рисунок  5.1 и 5.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы:

      UN = UKN = -EA.                                                                          (5.2)

Напряжения неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазных значений U(1)B=UBA и U(1)C=UCA. Междуфазные напряжения остаются неизменными, что видно из рисунков 5.1 и 5.2.

На рисунке 5.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U(1)B, U(1)C, UN): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал.

Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже­ний, то они не отражаются на питании потребителей и не сопровождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью не требуют немедленной ликвидации.

Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте по­вреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в междуфазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изоляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети.

 

5.2. Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на

землю

 

Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока I0 и на­пряжения U0. Простейшим устройством является неселективная сигнализация о появлении замыкания на землю, реаги­рующая на 3U0. Такое устройство состоит из одного реле повышения напряжения KV0, которое питается напряжением 3U0 от обмоток ТН, соединенных по схеме разомкнутого треугольника  (рисунок 5.3). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой вариант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА0, включенное в нулевой провод вольметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу.

Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способной определять, на каком участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые ненаправленные и направленные РЗ, реагирующие на составляющие НП.

Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре группы защиты, реагирующие:

 

Рисунок 5.3 - Схема неселективной сигнализации при замыкании на землю

 

1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ возможен только при отсутствии компенсации или при наличии перекомпенсации емкостного тока сети);

2) на токи НП, создаваемые искусственным путем;

3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в установившемся режиме;

4) на токи переходного режима, возникающие в первый момент замыкания.

 

5.3 Фильтры токов нулевой последовательности

 

Для получения составляющих токов I0 возможно использование трехтрансформаторных фильтров, применяемых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специальных трансформаторов тока нулевой последовательности (рисунок.5.4). Как уже отмечалось, токи I(1)3 очень малы, поэтому трехтрансформаторные фильтры не могут применяться.

Действительно, выполнение чувствительной селективной сигнализации с использованием обычных трансформаторов тока и электромеханических реле встречает ряд серьезных трудностей:

1) номинальный ток обычных ТТ выбирается по току нагрузки линии, и поэтому они имеют сравнительно большие коэффициенты трансформации. Вследствие этого вторичный ток замыкания на землю имеет очень малое значение. Так, например, если ток замыкания на землю составляет 18 А, а ТТ имеют коэффициент трансформации 600/5, то вторичный ток равен 0,15 А;

2) для включения на такой ток необходимо выбрать самое чувствительное токовое реле РТ-40/0,2, которое имеет сопротивление обмоток 80 Ом. Включение реле с такими большими сопротивлениями приводит к тому, что только часть тока попадает в реле, а другая часть, называемая током отсоса, бесполезно замыкается через вторичные обмотки ТТ неповрежденых фаз. Ток отсоса может достигать 40-50%.

Значительно большую чувствительность обеспечивает сигнализация при однофазных замыканиях на землю, выполняемая на специальных ТТ НП (ТНП), имеющих на выходе малые токи небаланса и позволяющие благодаря этому выполнить более чувствительные РЗ. Устройство ТНП показано на

рисунке 5.4, а. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформаторной стали, имеет обычно форму кольца или прямоугольни­ка, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, являются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20  30. Токи фаз IА, IВ и IС создают в магнитопроводе соответствующие магнитные потоки ФА, ФB, ФC, которые, складываясь, образуют результирующий поток:

Фрез   =  ФА + ФВ + ФC.                                     (5.3)

Так как сумма токов IА  + IВ + IС = 3I0, то можно сказать, что результирующий поток, создаваемый первичными токами ТНП, пропорционален составляющей тока НП:

Фрез =k3I0                                   (5.4)

 

           а) устройство; б) схема замещения; в) установка ТНП на кабеле

 

 
Рисунок 5.4 - Трансформатор тока нулевой последовательности

 

Поток Фрез, а следовательно, вторичная ЭДС Е2 и вторичный ток I2 могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные токи, проходящие через ТНП, содержат составляющую I0. Поэтому ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двухфазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз IА + IВ + IС = 0, и поэтому ток в реле отсутствует (Фрез = 0).

Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз с вторичной обмоткой различны, несмотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Фрез = Фнб), вызывающий во вторичной обмотке ЭДС и ток Iн6. Ток небаланса ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном фильтре. Это объясняется тем, что в последнем суммируются вторичные токи, которые искажены погрешностью трансформации (Iнам), особенно проявляющейся при насыщении стали сердечника при токах КЗ, в то время как в ТНП трансформация тока не вызывает небаланса. В ТНП суммируются магнитодвижущие силы одновитковых первичных обмоток, сумма которых при междуфазных КЗ равна нулю. Ток Iнб во вторичной обмотке ТНП зависит только от несимметрии расположения фаз первичного тока.

Для защиты линий ТНП выполняются только кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необходимости осуществления РЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным  магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки.

При прохождении токов Iбр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле РЗ появляется ток, от которого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появля­ются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов.

Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенсировать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцовой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболочка кабеля на участке от воронки до ТНП изолируются от земли (рисунок 5.4, в), а заземляющий провод присоединяется к воронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком исполнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в магнитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничтожаются. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолирован от брони кабеля.

  

Лекция 6.  Продольная дифференциальная защита линий 

 Содержание лекции: рассмотрены схемы продольной защиты линий, принцип её действия

 Цель лекции: изучается принцип действия продольной защиты линий, обладающей абсолютной селективностью, причины возникновения тока небаланса, особенности защиты.   

   6.1 Дифференциальная защита линий. Принцип действия продольной дифференциальной защиты

Для отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП без выдержки времени служат дифференциальные РЗ, которые подразделяются на продольные и поперечные.

Принцип действия продольных дифференциальных РЗ основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемой ЛЭП. Как видно из рисунка 6.1, а, при внешнем КЗ (в точке К) токи II и III на концах ЛЭП АВ направлены в одну сторону и равны по значению, а при КЗ на защищаемой ЛЭП (рисунок 6.1, б) они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя значение и фазу токов II и III, можно определять, где возникло КЗ - на защищаемой ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение токов по значению и фазе осуществляется в реагирующем органе (реле тока). Для этой цели вторичные обмотки ТТ TAI и ТАII, установленных по концам защищаемой ЛЭП и имеющих одинаковые коэффициенты трансформации, при помощи соединительного кабеля подключаются к дифференциальному реле КА (реагирующему органу) таким образом, чтобы при внешнем КЗ ток в реле был равен разности токов IIb и IIIв, а при КЗ на ЛЭП их сумме IIb + IIIв. Применяется схема дифференциальной РЗ с циркулирующими токами, основанная на сравнении вторичных токов (рисунок 6.1). Реагирующий орган - токовое реле КА включается параллельно вторичным обмоткам ТТ. При таком включении в случае внешего КЗ токи IIb и IIIв замыкаются через обмотку КА и проходят по ней в противоположном направлении (рисунок 6.1, а). Ток в реле равен разности токов:

Iр = IIb - IIIв = II/KIIII/KI.                                            (6.1)

При равенстве коэффициентов трансформации и отсутствии погрешностей в работе ТТ вторичные токи IIb - IIIв, поступающие в обмотку реле, балансируются, ток Iр = 0, и реле не срабатывает.

Таким образом, по принципу действия дифференциальная РЗ не реагирует на внешние КЗ, токи нагрузки и качания, поэтому она выполняется без выдержки времени и не должна отстраиваться от токов нагрузки и качаний. В действительности же ТТ работают с погрешностью. Вследствие этого в указанных режимах в реле появляется ток небаланса:

                   Ip = Iнб = IIb - IIIв .                                      (6.2)

Для исключения неселективной работы при внешних КЗ Iс.з дифференциальной РЗ должен превышать максимальное значение тока небаланса:

Iс.з >Iнб mаx.                                (6.3)

При КЗ на защищаемой ЛЭП (рисунок 6.1, б) первичные токи        II и III направлены от шин подстанций в ЛЭП (к месту КЗ). При этом вторичные токи IIb - IIIв суммируются в обмотке реле:

Ip = IIb + IIIв = II/KI + III/KI = IK/KI.                        (6.4)

где Iк - полный ток КЗ, равный сумме токов II и III, притека­ющих к месту повреждения (к точке К).

Под влиянием этого тока РЗ срабатывает. Выражение (6.4) показывает, что дифференциальная РЗ реагирует на полный ток КЗ в месте повреждения, и поэтому в сети с двусторонним  питанием она обладает большей чувствительностью, чем то­ковые РЗ, реагирующие на ток, проходящий только по одному концу ЛЭП. Зона действия РЗ охватывает участок ЛЭП, рас­положенный между ТТ, к которым подключено токовое реле.

 

  а) Вне защищаемой ЛЭП; б) – на защищаемой ЛЭП; в) – ток небаланса Рисунок 6.1 - Принцип действия дифференциальной РЗ; токораспределение при КЗ:

  

6.2 Токи небаланса в дифференциальной защите

 

Выразив в (6.2) вторичные токи через первичные, с учетом погрешности ТТ получим Iнб в реле:

Iнб  = (III - IIнам) - (III/KI - III нам),                    (6.5)

где IIнам и III нам - токи намагничивания, отнесенные ко вто­ричным обмоткам ТТ (ТАI и ТАII). Так как при внешнем КЗ, сквозных токах нагрузки и качаний первичные токи в начале и конце ЛЭП одинаковы, II =III,   (из 6.5) получим

 Iнб = III нам - II нам.                                   (6.6)

Это выражение показывает, что значение тока небаланса определяется различием значений токов намагничивания ТТ. Следователььно, для уменьшения тока небаланса необходи­мо выравнивать токи намагничивания

II нам и III нам по значению и фазе.

 

6.2  Полная схема дифференциальной защиты линий

 

Во всех рассмотренных схемах подразумевалась установка реле на трех фазах в тех случаях, когда РЗ должна реагировать на все виды КЗ. Для выполнения таких схем необходимо шесть дифференциальных реле и не менее четырех соединительных проводов. Для уменьшения числа реле и соединительных проводов реле включаются через фильтры симметричных составляющих или суммирующие трансформаторы, как показано на принципиальной схеме (рисунке 6.2).

Помимо уже рассмотренных элементов в этой схеме предусмотрены разделительные (изолирующие) трансформаторы TI, с помощью которых цепь соединительного кабеля АВ отделяется от цепей реле. Такое разделение исключает появление в цепях реле высоких напряжений, наведенных в жилах кабеля при протекании токов КЗ по защищаемой ЛЭП или возникающих в них по любым другим причинам.

На практике получили распространение РЗ с комбинированными фильтрами прямой и обратной последовательностей или прямой и нулевой последовательностей. Ток (или напряжение) на выходе таких фильтров пропорционален I1 + kI2 или I1 + kI0. Составляющая прямой последовательности I1 имеется при всех видах КЗ. Слагающая kI2 возникает при не симметричных повреждениях (двух- и однофазных) и позволяет повысить чувствительность РЗ, увеличивая ток в реле. То же самое достигается с помощью слагающей kI0, но только при КЗ на землю.

Рисунок 6.2 - Полная принципиальная схема

односистемной продольной дифференциальной РЗ ЛЭП

                Лекция 7. Поперечная дифференциальная защита линий

 Содержание лекции: изучаются схемы защиты параллельных линий .

 Цель лекции: выяснить особенности защит параллельных линий от междуфазных КЗ, работу схемы в каскадном режиме. 

 7.1 Принцип действия и виды поперечных дифференциальных защит параллельных линий

 Поперечные дифференциальные РЗ применяются на параллельных ЛЭП, имеющих одинаковое сопротивление, и основаны на сравнении значений и фаз токов, протекающих по обеим ЛЭП. Благодаря равенству сопротивлений ЛЭП в нормальном режиме и при внешнем КЗ токи в них равны по значению и фазе (II = III) (рисунок 7.1 а) В случае КЗ на одной из ЛЭП равенство токов нарушается. На питающем конце ЛЭП А токи II и III совпадают по фазе, но различаются по значению, а на приемном В -противоположны по фазе, что следует из токораспределения, приведенного на рисунке 7.1 б. Таким образом, нарушение равенства токов в параллельных ЛЭП по значению или фазе являет­ся признаком повреждения одной из них. Поперечные дифференциальные РЗ применяются двух видов: на параллельных ЛЭП, включенных под один общий выключатель - токовая поперечная дифференциальная РЗ; на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями - направленная поперечная дифференциальная РЗ.

           

            7.2 Токовая поперечная дифференциальная защита

 Принципы действия защиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ предназначена для параллельных ЛЭП с общим выключателем. При одностороннем питании параллельных ЛЭП РЗ устанавливается только со стороны источника питания, а в сети с двусторонним питанием - с обеих сторон параллельных ЛЭП.

         Схема РЗ для одной фазы изображена на рисунке 7.1. На одноименных фазах каждой ЛЭП устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации КII = КIII = KI. Вторичные обмотки трансформаторов тока I и II соединяются разноименными зажимами по схеме с циркуляцией токов в соединительных проводах, и параллельно к ним включается обмотка токового реле 1. Из токораспределения, приведенного на рисунке  7.1,а   для нормального режима, внешнего КЗ и качаний, видно, что ток в реле

Ip = Iв IIв II = II / KI – III / KI.

В этих режимах II = III, поэтому при отсутствии погрешностей ТТ Iр = 0, и РЗ не работает. Следовательно, по своему принципу действия рассматриваемая РЗ не реагирует на внешние КЗ и нагрузку. Поэтому ее выполняют без выдержки времени и не отстраивают от токов нагрузки. В действительности в реле протекает ток небаланса Iнб, вызванный погрешностью ТТ Iнб и некоторым различием первичных токов Iнб=(IIIII)/KI, обусловленным неточным равенством сопротивлений ЛЭП. Ток срабатывания реле Iс.р должен быть больше максималь­ного тока небаланса:

Ic.p > (I'нб + I''нб).                                                ( 7.1)

В случае повреждения одной из параллельных ЛЭП, напри­мер WI (рисунок 7.1, б), ток II в поврежденной ЛЭП становится больше тока во второй ЛЭП (II > III), и в реле появляется ток

Ip = Iв IIв II = (IIIII) / KI                                  (7.2)

При токе в реле Iр > Iср РЗ действует и отключает общий выключатель обеих ЛЭП.

Ip = Iв IIв II = (IIIII) / KI                              (7.3)

 

 

              а) режимы нагрузки и внешнего КЗ;         б) режим КЗ на  WI   

Рисунок 7.1 Принцип действия токовой поперечной дифференциальной РЗ

 Схема защиты. В сетях с малым током замыкания на землю (т. е. с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР) РЗ выполняется на двух фазах. В сетях с глухозаземленной нейтралью РЗ устанавливается на трех фазах. В этом случае ТТ на каждой ЛЭП соединяются по схеме полной звезды с нулевым проводом. Для отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП устанавливается отключающее устройство (SX) на рисунке 7.2. В дополнение к отключающему устройству можно предусматривать автоматическое отключение РЗ вспо­могательными контактами SQ1 и SQ2 на разъединителях.

Оценка защиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ относится к числу простых и надежных устройств, важным достоинством ее является быстродействие. Недостатком РЗ являются наличие мертвой зоны и необходимость отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП. Кроме поперечной дифференциальной РЗ на параллельных ЛЭП необходимо

предусматривать дополнительную РЗ, действующую при КЗ на шинах противоположной подстанции, в мертвой зоне. А также при выводе из работы одной ЛЭП.       

            7.3 Направленная поперечная дифференциальная защита. Принцип действия            

            Направленная поперечная дифференциальная РЗ применяется на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями на каждой ЛЭП (рисунок 7.2 ). К РЗ таких ЛЭП предъявляется требование отключать только ту из двух ЛЭП, которая повредилась. Для выполнения этого требования токовая поперечная дифференциальная РЗ дополняется РHМ двустороннего действия (рисунок 7.2) или двумя РНМ одностороннего действия, каждое из которых предназначено для отключения одной ЛЭП. Принципиальная схема одной фазы дана на рисунке 7.2. Токовые цепи РЗ выполняются так же, как и у токовой поперечной дифференциальной РЗ. Токовые обмотки РНМ KW и токового реле КА соединяются последова­тельно и включаются параллельно вторичным обмоткам ТТ на разность токов параллельных ЛЭП: Ip = II – III. Токовые реле выполняют функции пусковых органов, реагирующих на КЗ и разрешающих РЗ действовать. РНМ служит для определения поврежденной ЛЭП по знаку мощности. Напряжение к реле подводится от ТН шин подстанции. Оперативный ток к РЗ подается через вспомогательные контакты выключателей.

При срабатывании КА плюс постоянного тока подводится к контактам KW, которое замыкает верхний или нижний контакт, в зависимости от того, какая из двух ЛЭП повреждена.

 

а) – первичная схема и цепи тока; б) – цепи напряжения;  в) оперативные цепи

Рисунок 7.2 - Упрощенная схема и принцип действия

направленной поперечной дифференциальной РЗ параллельных ЛЭП 

Для отключения поврежденной ЛЭП РЗ устанавливается с обеих сторон параллельных ЛЭП.

Внешние КЗ. При внешних КЗ, нагрузке и качаниях первичные токи II и III равны по значению и совпадают по направлению на обоих концах ЛЭП. При равенстве КI1 и КI II и идеальной работе ТТ Iр =IIIIв = 0. При внешних КЗ, нагрузке и качаниях РЗ не действует. Вследствие погрешности ТТ и неравенства сопротивлений параллельных ЛЭП IIв и IIIв различаются по зна­чению и фазе, в результате чего в реле появляется ток небаланса Iр = Iнб. Для исключения работы РЗ при внешних КЗ ее ток срабатывания должен удовлетворять условию: Iс.з > Iнб.

Короткое замыкание на одной из параллельных ЛЭП (WI и WII). На питающем конце (ПС А) в случае повреждения на WI или WII первичные токи II и III имеют одинаковое направление. При этом токи II и III различаются по значению: в поврежденной ЛЭП ток всегда больше, так как сопротивление от ПС А до точки К для тока в поврежденной ЛЭП всегда меньше, чем в неповрежденной. В результате Iр = II вIII в , а его знак и направление зависят от того, какая ЛЭП повреждена. На приемном конце (ПС В) первичные токи II и III имеют противоположное направление: на поврежденной

ЛЭП ток идет от шин ПС В, а на неповрежденной - к шинам                         (рисунок 7.2, б). В соответствии с этим Iр = II b +III в.

Схемы направленной поперечной дифференциальной защи­ты выполняются с учетом следующих положений: в сети с изолированной нейтралью в двухфазном исполнении от междуфазных КЗ и от двойных замыканий на землю; в сети с глухо-заземленной нейтралью двумя комплектами - в двухфазном исполнении от междуфазных КЗ и нулевой последовательности от КЗ на землю; РЗ выполняется без выдержки времени.

На рисунке 7.3 приведена схема поперечной дифференциальной токовой направленной РЗ для параллельных ЛЭП в сети с изолированной нейтралью.

 а) –первичная схема; б) – цепи тока; в) – цепи напряжения;

г) – цепи оперативного тока

Рисунок 7.3 Схема поперечной направленной дифференциальной

 

Лекция 8.  Дистанционная защита линий

 Содержание лекции: приводятся общие сведения о принципе действия дистанционной защиты

 Цель лекции: изучить особенности защит линий с несколькими источниками питания, принцип действии реле сопротивления, способы достижения селективности.

 8.1 Дистанционная защита линий. Назначение и принцип действия

 В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспечить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на W2 (рисунке 8.1) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ 1, а при КЗ на W1, наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селективное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ).

Подпись:                 

 

 

 

 

 

 
 

- дистанционная защита, О  - максимальная токовая направленная защита

Рисунок 8.1 -  Кольцевая сеть с двумя источниками питания:

 Выдержка времени ДЗ t3 зависит от расстояния (дистанции) t3 = f(lр.к) (рисунок 8.2) между местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т. е. lр.к  и нарастает с увеличением этого расстояния. Ближайшая к месту повреждения  ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ. Например, при КЗ в точке К1 (рисунок 8.2) Д32, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селективно отключается ближайшей к месту повреждения  ДЗ  3 .

 

 

 

 

 


 

Рисунок 8.2 - Зависимость выдержки времени дистанционной защиты

 

Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле со­противления (PC), реагирующие на полное, реактивное или активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z, X, R). Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка Iр.к, так как  Zp = Zy  l p; Х р.к = Ху l р.к;       Rр.к = Ry  l p , где Zp, Хр.к, Rр.к - полное, реактивное и активное сопротивления участка ЛЭП длиной lр.к; Zy, Ху, Ry - удельные сопротивления на 1 км ЛЭП.

Таким образом, поведение дистанционного органа, реагирующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения.

В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z, X или R), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактивного и активного сопротивлений. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения сопротивления Zp до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (рисунок 8.3). К зажимам PC подводятся вторичные значения Uр и Iр от ТН и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения Uр к Iр. Это отношение является некоторым сопротивлением Zp. При КЗ Zp = Zp, и при определенных значениях Zp PC срабатывает; оно реагирует на уменьшение Zp, поскольку при КЗ Uр уменьшается, а Iр возрастает.

Рисунок 8.3- подключение цепей тока и напряжения реле

сопротивления

 

Наибольшее значение Zp, при котором PC срабатывает, называется сопротивлением срабатывания реле Zc.p:

                                                      Zp = Up/Ip  Zc.p.                                                (8.1)

Для обеспечения селективности в сетях сложной конфигурации на ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ необходимо выполнять направленными, действующими при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. Направленность действия ДЗ обеспечивается при помощи дополнительных РНМ или применением направленных PC, способных реагировать и на направление мощности КЗ. Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или сопротивления до места КЗ t3 = f(lр.к) или t3 = f(Zp) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По характеру этой зависимости ДЗ делятся на три группы: с плавнонарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбинированными характеристиками (рис). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характеристиками и, как правило, получаются проще в конструктивном исполнении. Наиболее распространенные ДЗ со ступенчатой характеристикой выполняются обычно с тремя ступенями времени: tI, tII, tIII, соответствующими трем зонам действия ДЗ (рисунок 8.4,б)

 

а) наклонная; б) ступенчатая; в) комбинированная

Рисунок 8.4 – Характеристики дистанционной защиты

 

 

8.2 Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью ступенчатой дистанционной защиты

 

На ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направлении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действующие при одном направлении мощности, необходимо согласовать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматриваемой схеме (рисунок 8.5) согласуются между собой  Д31, ДЭЗ, Д35 и Д36, Д34, Д32.

С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени (tI = 0), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки времени (tI = 0), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8-0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстанции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяженность и выдержка времени второй ступени согласуются (обычно) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следующего участка. Например, у второй ступени Д31 зона действия отстраивается от конца первой ступени ДЭЗ (т.е. ZII(1) < ZI(3) )  а время действия выбирается на ступень t больше tI(3): tII(1)=tI(3)+t-

Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка, на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка времени принимается на t больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка.

Основными достоинствами дистанционного принципа являются: селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания: малые выдержки времени при КЗ в начале защищаемого участка, которые обеспечиваются I зоной, охватывающей до 85-90% защищаемой ЛЭП; большая, чем у МТЗ, стабильность зон действия; значительно большая чувствительность при КЗ и лучшая отстройка от нагрузки и качаний по сравнению с МТЗ.

К числу недостатков ДЗ следует отнести: невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП; реагирование на качания и нагрузку; возможность ложной работы при неисправностях в цепях напряжения; сложность схем ДЗ и ДО.

 

Рисунок 8.5 – Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой; Z – погрешность дистанционного реле;

 t – ступень селективности

 

Лекция 9.  Высокочастотные защиты

 

Содержание лекции: приводятся основные сведения о высокочастотных защитах линий высокого напряжения от всех видов КЗ.

 

Цель лекции: изучить принцип действия высокочастотных защит – ВЧ блокировки  и дифференциально-фазной защиты. Принцип передачи фазы тока в линии с помощь токов высокой частотоы.

 

9.1 Высокочастотные защиты. Назначение и виды высокочастотных защит 

 

Высокочастотные (ВЧ) РЗ являются быстродействующими и предназначаются для ЛЭП ПО, 220 кВ и линий СВН. Они применяются для быстрого отключения линии при. КЗ в любой ее точке с целью обеспечения устойчивости параллельной работы электрических станций и энергосистем в целом, а также в связи с ростом требований со стороны потребителей для сохранения устойчивости технологического процесса.

Высокочастотные РЗ (ВЧЗ) состоят из двух комплектов, расположенных по концам защищаемой ЛЭП. Особенность ВЧЗ заключается в том, что для их селективного действия необходима связь между комплектами защиты, осуществляемая посредством токов ВЧ, которые передаются по проводам защищаемой ЛЭП. По принципу своего действия ВЧЗ не реагируют на КЗ вне защищаемой ЛЭП и поэтому, так же как дифференциальные РЗ, не имеют выдержки времени. Применяются три вида ВЧЗ: направленные РЗс ВЧ-блокировкой, основанные на сравнении направления знаков мощности по концам защищаемой ЛЭП; дифференциально-фазные ВЧЗ, основанные на сравнении фаз токов КЗ по концам ЛЭП; комбинированные направленные и дифференциально-фазные ВЧЗ, сочетающие оба упомянутые выше принципа. В связи с указанными особенностями перечисленные РЗ состоят из двух частей - релейной и высокочастотной.

 

9.2 Принцип действия направленной защиты  с ВЧ- блокировкой

 

Направленная ВЧЗ реагирует на направление (знак) мощности КЗ по концам защищаемой ЛЭП. Как видно из рисунка 9.1, а, при КЗ на защищаемой ЛЭП (в точке К1) мощности КЗ на обоих концах поврежденного участка АВ имеют одинаковое направление от шин в ЛЭП.

В случае же внешнего КЗ (точка К2) направления мощности по концам защищаемой ЯЭП различны. На ближайшем к месту повреждения конце (В) ЛЭП мощность КЗ Sb отрицательна (направлена к шинам), а на удаленном (конец А) - положительна (направлена от шин в ЛЭП). Из этого следует, что, сравнивая направления мощности по концам защищаемой ЛЭП, можно определить, где возникло повреждение: на данной ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение осуществляется при помощи органов направления мощности KW (рисунок 9.1,б), которые устанавливаются на обоих концах ЛЭП и включаются таким образом, чтобы при КЗ на защищаемой ЛЭП они

разрешали действие ВЧЗ на от­ключение.

 


а) – на ЛЭП (К1) и за её пределами (К2); б) – сравнение направления 

   мощности по концам ЛЭП с     

   помощью реле направления  

   мощности (ОНМ) КW

Рисунок 9.1 Направление мощности по концам ЛЭП при КЗ

       

Тогда при КЗ в точке К (рисунок 9.1,б) на обоих концах линии подействуют KW3 и KW4, установленные на поврежденной ЛЭП ВС. На неповрежденной же ЛЭП АВ OHM KW1 сработает, разрешая действие на отключение, однако на приемном конце В ЛЭП АВ под влиянием мощности КЗ, направленной к шинам, OHM KW2 разомкнет контакты, чем запретит действие на отключение РЗ 2, и одновременно блокирует действие РЗ 1 посылкой ВЧ-сигнала по проводам этой же ЛЭП. Блокирующий сигнал посылается специальными генераторами ВЧ (ГВЧ) (рисунок 9.2), управляемыми OHM, реагирующими на отрицательный знак мощности, и принимается специальными приемника­ми токов ВЧ ПВЧ, настроенными на ту же частоту, что и генераторы. Приняв ВЧ-сигнал, приемники ВЧ подают ток в обмотку блокирующего реле КБ, которое размыкает цепь отключения РЗ. При КЗ на защищаемой ЛЭП блокирующий ВЧ - сигнал отсутствует, так как OHM, срабатывая, не позволяет действовать ГВЧ на обоих концах ЛЭП. Контакты блокирующих реле остаются замкнутыми, разрешая РЗ действовать на отключение. Таким образом, блокирующий ВЧ - сигнал появляется в ЛЭП только при внешних КЗ, предотвращая неселективное действие РЗ. Зона действия РЗ ограничивается установленными по концам ЛЭП ТТ, питающими OHM. По рассмотренному принципу выполняются ВЧЗ, сравнивающие направление полных мощностей фаз или направления их составляющих НП или ОП. В двух последних случаях OHM включаются через фильтры токов и напряжений НП или ОП.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.2 – Принцип действия направленной ВЧЗ с ВЧ блокировкой:  КW- реле направления мощности; КБ – блокирующее реле; ГВЧ- генератор токов высокой частоты ; ПВЧ- приёмник токов высокой частоты.

  

9.3 Принцип действия дифференциально - фазной высокочастотной  защиты                  

 

Принцип действия. Дифференциально-фазная ВЧЗ (ДФЗ) основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой ЛЭП. Считая положительными токи, направленные от шин в ЛЭП, находим, что при внешнем КЗ в К1 (рисунок 9.3, а) токи Iт и In по концам защищаемой ЛЭП имеют различные знаки и, следовательно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В случае же КЗ на защищаемой ЛЭП (рисунок 9.3,б) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Ет и Еп по концам электропередачи и различием углов полных сопротивлений Zm и Zn. Таким образом, сравнивая фазы токов по концам ЛЭП, можно установить местоположение КЗ. В обычных схемах дифференциальных РЗ сравнение фаз токов осуществляется путем непосредственного сравнения токов, проходящих в начале и конце ЛЭП. В ВЧЗ (ДФЗ) сравнение фаз осуществляется косвенным путем посредством ВЧ-сигналов. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу ДФЗ, и диаграмма, поясняющая принцип ее действия, приведены на рисунках 9.3 и 9.4.

Защита состоит из приемопередатчика (рисунок 9.3, в), включающего в себя генератор ГВЧ, приемник ПВЧ, реле отключения РО, питающегося током приемника, и двух пусковых реле ПО1 и ПО2, одно из которых пускает ГВЧ, а второе контролирует цепь отключения ДФЗ.

Особенность ДФЗ заключается в том, что ВЧ-генератор управляется (манипулируется) непосредственно токами промышленной частоты при помощи специального трансформатора Т. Генератор включен так, что при положительной полуволне промышленного тока он работает, посылая в ЛЭП сигнал ВЧ, а при отрицательной запирается, и сигнал ВЧ прекращается. В то же время приемник выполнен таким образом, что при наличии сигналов ВЧ, поступающих в его входной контур, выходной ток, питающий реле РО, равен нулю, а при отсутствии ВЧ-сигнала появляется выходной ток, поступающий в РО. Таким образом, генератор ВЧ работает только в течение положительных полупериодов тока промышленной частоты, а приемник - при отсутствии ВЧ-сигналов. При внешнем КЗ (рисунок 9.4, а) с учетом того, что фазы первичных токов по концам ЛЭП противоположны, генератор, на конце m работает в течение первого полупериода промышленного тока, а на конце n - в течение следующего полупериода. Ток ВЧ протекает по ЛЭП непрерывно и питает приемники на обеих сторонах ЛЭП. В результате этого выходной ток в цепи приемника и реле РО отсутствует, и реле (ДФЗ) не работает.

 

в)

 

 

 


 

Рисунок 9.3 - Принцип действия дифференциально - фазной ВЧЗ.

Упрощенная принципиальная схема дифференциально - фазной ВЧЗ.

 

 

 


Рисунок 9.4 Диаграммы токов в дифференциально - фазной ВЧЗ

 

При КЗ в зоне (рисунок 9.4, б) передатчики на обоих концах ЛЭП работают одновременно, поскольку фазы токов по концам ЛЭП совпадают. Высокочастотные сигналы, поступающие при этом в приемники, будут иметь прерывистый характер с интервалами времени, равными полупериоду промышленного тока. В этом случае приемник работает в промежутки времени, когда ток ВЧ отсутствует, и заперт (не работает) во время его прохождения. В выходной цепи приемника появляется прерывистый ток, который сглаживается специальным устройством и подается в реле РО. Последнее срабатывает и отключает ЛЭП. Таким образом, сдвиг фаз между токами, проходящими по обоим концам ЛЭП, определяется по характеру ВЧ-сигналов (сплошные или прерывистые), на которые с помощью приемника реагирует реле РО.

По принципу своего действия ДФЗ не реагирует на нагрузку и качания, так как в этих режимах токи на обоих концах ЛЭП имеют разные знаки.

  

Лекция 10. Резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 Содержание лекции: рассматриваются резервные защиты трансформаторов и автотрансформаторов.

 Цель лекции: изучить основные виды повреждений и ненормальных режимов трансформаторов и способы защиты от них.

 10.1       Защита трансформаторов и автотрансформаторов. Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов, виды защит и требования к ним

 Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения магнитопровода трансформатора, приводящие к появлению местного нагрева и "пожару стали". Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наиболее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформаторов возникают значительно реже. В трехфазных трансформаторах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформаторных группах, составленных из трех однофазных трансформаторов, замыкания между обмотками фаз практически невозможны.

При витковых замыканиях токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков wa, тем меньше будет ток Iк, приходящий из сети.

Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t = 0,05  0,1 с).

Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты.

На трансформаторах мощностью 200 MBА и более предусматривается автоматическое пожаротушение водой. Все изложенное далее в равной мере относится к трансформаторам и автотрансформаторам.

Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормальным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков,     т.е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возникают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние возникают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличения нагрузки в результате отключения параллельно работающего трансформатора, автоматического подключения нагрузки при действии АВР и т. п.

Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору проходят токи КЗ Iк > Iном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор.

Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистанционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последовательностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (I участок) и присоединения, отходящие от этих шин (II участок). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе.

Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах:

Кратность перегрузки ................. ..1,3        1,6        1,75        2        3

Допустимое время перегрузки, мин ….120         45          20          10      1,5

Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) Iном можно допускать в течение значительного времени, измеряемого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковременные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, например, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отключением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением менее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора.

Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на отключение только в том случае, когда перегрузка не может быть устранена персоналом или автоматически.

Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (AT) предусматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключение AT. Необходимость установки такой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего AT той же подстанции.

Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уровня обмоток, что возможно при течи в баке или резком понижении температуры наружного воздуха, может привести к повреждению обмотки.

10.2 Защита от сверхтоков при внешних коротких замыканиях

 Защита от внешних КЗ служит для отключения трансформатора при КЗ на сборных шинах или на отходящих от них присоединениях (рисунок 10.1), если РЗ или выключатели этих элементов отказали в работе. Одновременно РЗ от внешних КЗ используется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако по условиям селективности РЗ от внешних КЗ должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстродействующей. По этой причине в качестве основной РЗ от повреждений в трансформаторах она используется лишь на маломощных трансформаторах. На трансформаторах, имеющих специальную РЗ от внутренних повреждений, РЗ от внешних КЗ служит резервом к этой защите на случай ее отказа. Наиболее простой РЗ от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, применяются более чувствительные МТЗ с пуском по напряжению, МТЗ ОП и НП, ДЗ.

Максимальные токовые защиты трансформаторов. Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов. Схема МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведена на рисунке 10.1. Чтобы включить в зону действия защиты сам трансформатор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателя Q1. Токовые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключателя Q2.

а) – схема токовых цепей с тремя ТТ; б) - принципиальная схема оперативных цепей; в)- структурная схема; г) – схема токовых цепей с двумя ТТ

Рисунок 10.1- Максимальная токовая защита двухобмоточного трансформатора

 На рисунке 10.1, а приведена схема РЗ трансформатора, выполненная с двумя токовыми реле КА1 и КА2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1 и Q2. При этом в случае внешних КЗ на стороне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2 резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой t1 на отключение выключателя Q1 со стороны НН, а со второй            t2 = t1 + t на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена на рисунке 10.1,  в. В случае неотключенного внешнего КЗ на стороне НН МТЗ с выдержкой времени t1 отключит выключа­тель Q1, трансформатор при этом останется под напряжением со стороны ВН. В случае же повреждения в трансформаторе и отказе его основных быстродействующих РЗ МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2.

Токовые реле КА1 и КА2 в схеме МТЗ трансформаторов с ВН 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник (рисунок 10.1, а). Такое выполнение токовых цепей МТЗ предотвра­щает возможное неселективное ее действие при КЗ на землю в сети 110-220 кВ (в случае когда нейтраль трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах междуфазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток y/. При этом, однако по сравнению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6-10 кВ. Для трансформаторов со схемой соединения обмоток y/y или / и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (рисунок 10.1, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду. Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме Y/ , устанавливается дополнительное реле в обратном проводе токовых цепей КA3 (показано пунктиром на рисунке 10.1, в-г). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соединения обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точкой (обычно питающих сеть 0,4 кВ).

Резервные защиты от внешних междуфазных КЗ на AT. На трехобмоточных понижающих AT в качестве резервных защит от внешних междуфазных КЗ применяются: на стороне НН - МТЗ с комбинированным пуском напряжения: на стороне ВН AT 220/110/6-10-35 кВ - НТЗ и МТЗ ОП, а также МТЗ с пуском по напряжению от трехфазных КЗ; на сторонах ВН и СН AT 220/110/6-10-35 кВ и 500/220/10 кВ - ДЗ.

Максимальная токовая РЗ с комбинированным пуском напряжения на стороне НН AT присоединяется к ТТ, встроенным в его выводы. С первой выдержкой времени РЗ должна действовать на отключение выключателя НН, а со второй - на отключение всего AT.

Токовая РЗ ОП устанавливается на стороне ВН и питается от ТТ, встроенных во втулки ВН AT. Релейная защита выполняется направленной в сторону ВН в предположении, что выдержки времени резервных РЗ НЭП ВН меньше выдержек времени резервных РЗ ЛЭП СН. Как направленная, РЗ действует с первой выдержкой времени, большей выдержек времени резервных РЗ ЛЭП ВН, на отключение шиносоединительного или секционного выключателей (при их наличии), со второй - на отключение выключателя ВН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле AT. В обход РНМ, как ненаправленная, РЗ действует с первой выдержкой времени - на отключение шиносоединительного и секционного выключателей СН, со второй - на отключение выключателя СН AT и с третьей - на выходные промежуточные реле РЗ AT.

Направленная токовая РЗ ОП выполняется с использованием фильтра-реле тока РТФ-8 и РНМ ОП типа РМОП-2М. При наличии на стороне ВН AT схемы "мостик" с выключателем в перемычке и отделителями в цепях AT РЗ выполняется ненаправленной. В дополнение к МТЗ ОП для действия при трехфазных КЗ предусматривается МТЗ с пуском минимального напряжения в однофазном исполнении.

Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах В.Н и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН соответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объясняется необходимостью обеспечения согласования по селективности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН.

Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 3I0, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно - и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на AT) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухозаземленной нулевой точкой.

Защита от перегрузки трансформатора - на трансформаторах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посредством одного токового реле.

 

Лекция 11. Основные защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 Содержание лекции: рассматриваются основные защиты трансформаторов от всех видов КЗ.

 Цель лекции: изучается принцип действия токовой отсечки и дифференциальной защиты трансформатора от всех видов КЗ

 Основные токовые защиты трансформаторов и автотрансформаторов

 11.1 Токовая отсечка

 Токовая отсечка - простая быстродействующая РЗ от повреждений в трансформаторе Зона действия отсечки ограничена, она не действует при витковых замыканиях и замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю. Отсечка устанавливается с питающей стороны.

В зону действия отсечки входят ошиновка, выводы и часть обмотки трансформатора со стороны питания. Отсечка, являющаяся РЗ от внутренних повреждений, должна отключать трансформатор со всех сторон, имеющих источники питания. Достоинством отсечки являются ее простота и быстродействие. Отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой (рассматриваемой ниже) обеспечивает хорошую защиту для трансформаторов малой мощности.

    

11.2 Дифференциальная защита. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты трансформатора.

 В качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от КЗ между фазами, однофазных КЗ на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила дифференциальная РЗ (рисунок 11.1). При внешнем КЗ и нагрузке токи II и III направлены в одну сторону (рисунок 11.1,а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффициенту трансформации защищаемого трансформатора:

                                                     III / II = Кт                                                           (11.1)

                     а) - внешнее КЗ;  б) – КЗ в трансформаторе

Рисунок 11.1 - Действие дифференциальной защиты трансформатора

 

При внешнем КЗ защита не должна действовать, при КЗ в трансформаторе - должна работать. С учетом этого и выполняется схема защиты. Трансформаторы тока ТАI и ТАII, питающие схему, устанавливаются с обеих сторон защищаемого трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются разноименными полярностями так, чтобы при внешнем КЗ и нагрузке вторичные токи IIb и IIIв были направлены в контуре соединительных проводов последовательно (циркулировали по ним). Дифференциальное реле КА включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соединении в случае внешнего КЗ и при токе нагрузки вторичные токи IIb и IIIв замыкаются по обмотке реле КА и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разности вторичных токов:

                                               Iр = IIв - IIIв.                                                                          (11.2)

При КЗ в защищаемом трансформаторе вторичные токи I и IIIв проходят по обмотке реле в одном направлении (рисунок 11.1, б), в результате чего ток в реле равен их сумме:

                                                 Iр = IIв + IIIв.                                                                         (11.3)

Если Ip> Iс.р то реле срабатывает и отключает трансформатор.

Для того чтобы дифференциальная РЗ не работала при нагрузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные токи в плечах РЗ так, чтобы ток в реле, равный их разности, отсутствовал:

                                         Iр = IIв - IIIв = 0.                                                                    (11.4)

Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т. е.

IIв = IIIв.

 

Особенности дифференциальной  защиты  трансформаторов и AT.            

 В дифференциальной РЗ ЛЭП и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, поэтому для выполнения условия селективности (11.4) достаточно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной РЗ трансформаторов. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по значению и в общем случае не совпадают по фазе.

В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего напряжения III всегда больше тока на стороне высшего напряжения II. Их соотношение определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора согласно (11.1).

В трансформаторе с соединением обмоток звезда-треугольник и треугольник-звезда токи II и III различаются не только по значению, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распространенной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30°. В трансформаторах с соединением обмоток звезда-звезда токи II и III совпадают по фазе.

Таким образом, для выполнения условия селективности (11.4) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов                   IIb = IIII и IIIв = III / KIII по значению а при разных схемах соединения обмоток (y/ и /Y) - и по  фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов IIb и IIIв по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмо­ток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансформатора. Соединение в треугольник обмоток ТТ должно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора.

 

Лекция 12. Газовая защита трансформаторов

 Содержание лекции: приводятся сведения о повреждениях внутри бака трансформатора; принцип действия и конструкция плавкого газового реле

 Цель лекции: изучить защиту трансформатора от внутренних повреждений

 12.1 Газовая защита трансформаторов Принцип действия и устройство газового реле.

 Газовая защита получила широкое распространение в качестве весьма чувствительной защиты от внутренних повреждений трансформаторов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагревом деталей, что приводит к разложению масла и изоляционных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (рисунок 12.1) и имеет сообщение с атмосферой. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно расширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя. Таким образом, образование газов в кожухе трансформатора и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти признаки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и движения масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соединяющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы через него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в расширитель при повреждениях в трансформаторе. В трубе предусмотрена задвижка, которая закрывает ее автоматически при срабатывании газовой защиты, предотвращая поступление масла из расширителя в бак поврежденного трансформатора (для ограничения пожара в баке).

Рисунок 12.1- Установка газового реле на трансформаторе: 1- газовое реле;

2- расширитель

    

Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элементов, в виде: поплавка, лопасти, чашки.

Устройство поплавкового газового реле показано на рисунке 12.2. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубкой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвижных поплавка 2а и 2б, выполненные в виде тонкостенных полых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в масле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контакты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаянными в них контактами и ртутью внутри. При определенном положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от контактов на наружную сторону кожуха выполнены с помощью гибких и изолированных проводников. Контакты верхнего поплавка действуют на сигнал, а нижнего - на отключение трансформатора. Кожух реле находится ниже уровня масла в расширителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стремясь всплыть, занимают верхнее положение, их контакты разомкнуты.


 Рисунок 12.2- Устройство поплавкового газового реле; схема

выходных цепей газовой защиты

 При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднимается к расширителю. Проходя через реле, пузырьки газа заполняют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время замыкается.

Если повреждение трансформатора значительное, то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися газами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замыкает свои контакты, посылая импульс на отключение. Поскольку в схемах управления выключателями предусмотрено удерживание отключающих сигналов, даже кратковременного замыкания контактов газового реле оказывается достаточно для надежного отключения выключателя.

Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключения позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансформатор.

Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе.      

В этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня масла срабатывает отключающий контакт, выключая трансформатор.

Оценка газовой защиты. Основными достоинствами газовой защиты являются: простота ее устройства, высокая чувствительность, малое время действия при значительных повреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимости от размеров повреждения. Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждения его обмоток и особенно при витковых замыканиях. Все масляные трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше поставляются вместе с газовой защитой.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защитой от внутренних повреждений. Для маломощных трансформаторов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется  более совершенная дифференциальная РЗ.

 

Лекция 13.  Защита сборных шин  

Содержание лекции:  приводятся общие сведения о принципах защиты шин, поведение защиты при КЗ на шинах и внешних КЗ. 

Цель лекции: изучить принцип действия дифференциальной защиты шин и токораспределение во вторичных цепях защиты, причины возникновения тока небаланса.   

13.1 Дифференциальная защита шин

Повреждения на шинах подстанций электрических сетей и электростанций высокого и сверхвысокого напряжений могут быть отключены резервными РЗ, установленными на противоположной стороне элементов, подключенных к этим шинам. Однако резервные РЗ в подобных случаях работают со значительными выдержками времени tрез.з и не всегда обеспечивают селективное отключение поврежденных шин. В то же время КЗ на шинах по условиям устойчивости энергосистемы и работы потребителей требуют быстрого отключения. Для прекращения КЗ на шинах их РЗ должна действовать на отключение всех присоединений, питающих шины. В связи с этим специальные РЗ шин приобретают особую ответственность, так как их неправильное действие приводит к отключению целой электростанции или подстанции либо их секций. Поэтому принцип действия РЗ шин и их практическое выполнение (монтаж) должны отличаться повышенной надежностью, исключающей возможность их ложного срабатывания.

В качестве быстродействующей и селективной РЗ шин получила распространение защита, основанная на дифференциальном принципе.

Дифференциальная РЗ шин (ДЗШ) (рисунок 13.1) основывается на том же принципе, что и рассмотренные ранее дифференциальные РЗ ЛЭП, трансформаторов и генераторов, т. е. на сравнении значений и фаз токов, приходящих к защищаемому элементу (в данном случае к шинам ПС) и уходящих от него. Для питания ДЗШ на всех присоединениях устанавливаются

 

Рисунок 13.1 - Токораспределение во        Рисунок 13.2 - Токораспределение во

вторичных цепях дифференциальной        вторичных цепях дифференциальной

защиты при внешних КЗ                              защиты при КЗ на шинах

 

ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации КI (независимо от мощности присоединения).

Дифференциальное реле 1 подключается к ТТ всех присоединений, так чтобы при первичных токах, направленных к шинам, в нем проходил ток, равный сумме токов всех присоединений, т. е. . Тогда при внешних КЗ  и реле не будет действовать, а при КЗ в зоне (на шинах)  равна сумме токов КЗ, притекающих к месту повреждения, и ДЗШ работает. Первичные обмотки всех ТТ подключаются к шинам одноименными зажимами; все вторичные обмотки ТТ соединяются параллельно одноименной полярностью, и к ним подключается реле 1.

При внешнем КЗ (точка К на рисунке 13.1) ток КЗ I4, идущий от шин к месту КЗ по поврежденной ЛЭП W4, равен сумме токов, притекающих к шинам от источников питания (по линиям Wl, W2, W3)

                                      (13.1)

Из токораспределения, показанного на рисунке 13.2, видно, что вторичные токи, соответствующие  и первичным токам, притекающим к шинам, направлены в обмотке реле противоположно вторичному току  (первичный ток которого утекает от шин). Ток в реле

.             (13.2)

Выражая вторичные токи через первичные и учитывая равенство (13.1), получаем, что ток

                    .

Следовательно, если пренебречь погрешностями ТТ, то при внешних КЗ ток в реле отсутствует. С учетом токов намагничивания вторичные токи ТТ

            и.т.д.

Подставив эти значения вторичных токов в выражение (13.2), получим

                                .         (13.3)

Это выражение позволяет сделать вывод, что вследствие погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса , равный геометрической разности токов намагничивания ТТ на поврежденном присоединении W4 и ТТ всех остальных неповрежденных присоединений   (Wl, W2, W3), по которым ток КЗ притекает к шинам. В общем случае

                        .                                         (13.3а)

Защита не будет действовать при условии, что ток срабатывания реле будет больше максимального тока небаланса, возникающего при iК max во время внешнего КЗ:

.

При КЗ на шинах (рисунок 13.2) по всем присоединениям, имеющим источники питания (генераторы), ток КЗ направляется к месту повреждения, т.е. к шинам подстанции. Вторичные токи направлены в обмотке реле одинаково, поэтому ток в реле равен их сумме:

        .                                                      (13.4)

Так как        ,   то    ip = ik/k1.                                              (13.5)

Выражение (13.5) показывает, что при КЗ на шинах ДЗШ реагирует на полный ток Iк в месте КЗ. Защита будет действовать, если Iк > Iс.з

В нормальном режиме сумма токов, приходящих к шинам, всегда равна сумме токов, отходящих от шин, поэтому ток в реле равен нулю: Iр = 0. Из-за погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса, который невелик в нормальном режиме и увеличивается при внешнем КЗ.

Список литературы

1. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем./ Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Изд. МЭИ, 2002.- 295 с.

2. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энергоатомиздат, 1998.

3. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. Москва.: “ Издательство НЦ ЭНАС”, 2000.-503с.

4. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография.- СПб.: ПЭИПК,2003.- 350с.

5. Овчинников В.В. Защита электрических сетей 0,4-35кВ. ч.1,ч.2. –М.: Издательство редакции журнала “Энергетик” , 2002.

6. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем: - М.: Энергия, 1992, - 560 с.

7. Беркович М.А., Семенов В.А. Основы техники и эксплуатации релейной защиты. - М.: Энергия, 1991. - 432 с.

8. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

9. Правила устройства электроустановок Минэнерго СССР. 6-е издание.- М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций / Под ред. Э.С. Мусаэляна. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

13.  Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13А. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Схемы. - М.: Энергоатомиздат,1985.- 112 с.

14. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчеты.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 96 с

15. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 2. Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-220 кВ.- М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.- 64 с.

16. Руководящие указания по релейной защите. Вып.9. Дифференциально-фазная защита линий 110-330 кВ.- М.: Энергия, 1972.- 114 с.

17. Руководящие указания по релейной защите. Вып.10. Высокочастотная блокировка дистанционной и токовой направленной нулевой последовательности защит линий 110-220 кВ. - М.: Энергия, 1975.- 76 с.

18. Руководящие указания по релейной защите. Вып.12. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. - М.: Энергия, 1980. -88 с.

19. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 3. Защита шин 6-220 кВ станций и подстанций. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.- 72 с.

20. Руководящие указания по релейной защите. Вып.6. Устройства резервирования при отказе выключателей 35-500 кВ.- М.: Энергия, 1966. - 48 с.

21. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 7. Дистанционная защита линий 35-330 кВ. - М.: Энергия, 1966.