5. Схемы соединений трансформаторов тока и цепей тока реле токовых защит.

Для токовых защит используются схемы с ТТ, установленными во всех трёх фазах (трёхфазные) или в 2–х фазах (двухфазные), при этом вторичные обмотки ТТ могут соединяться в полную или неполную звезду, а также в полный или неполный треугольник.

Подключение пусковых реле тока к трансформаторам тока в схемах токовых защит может осуществляться по различным схемам:

• соединение ТТ и обмоток реле в полную звезду;

• соединение ТТ и обмоток реле в неполную звезду;

• соединение ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду;

• соединение двух ТТ и одного реле в схему на разность токов 2-х фаз;

• соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности.

При анализе различных схем сначала определяются положительные направления действующих величин первичных токов ТТ при различных видах к.з., а затем определяются пути замыкания вторичных токов каждого ТТ. Результирующий ток в проводах и обмотках реле тока определяется геометрическим сложением или вычитанием соответствующих векторов фазных токов.

Для каждой схемы определяется отношение тока в реле I_р к току в фазе I_ф, кооторое называется коэффициентом схемы:

Коэффициент схемы необходимо учитывать при расчёте уставок и оценке чувствительности токовой защиты.

Векторные диаграммы первичных токов при различных к.з. представлены на рис. 3-11.

Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду

При выполнении токовой защиты по схеме полной звезды (рис. 3-12, а) ТТ устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, а их нулевые точки связываются нулевым проводом.

При нормальном нагрузочном режиме и в режиме 3-х фазного к.з. (рис. 3-11, а) во всех трёх реле проходят токи фаз:

;

Ток в нулевом проводе равен геометрической сумме токов фаз:

При 2-х фазных к.з. ток проходит только в двух повреждённых фазах и соответственно в двух реле, подключенных к ТТ поврежденных фаз, а ток в неповрежденной фазе отсутствует.

Для случая 2-х фазного к.з. фаз В и С (рис. 3-11, б):

или

Ток в нулевом проводе рассматриваемой схемы равен сумме токов повреждённых фаз, но так как последние равны и противоположны по фазе, то ток в нулевом проводе будет равен нулю:

т.е. реле, включенное в нулевой провод не будет реагировать на междуфазные к.з.

Однако, из-за неидентичности характеристик и погрешностей ТТ сумма вторичных токов при нагрузочном режиме и при 3-х и 2-х фазных к.з. отличается от нуля и в нулевом проводе проходит ток, называемый током небаланса:

При 1 фазном к.з. первичный ток проходит только по поврежденной фазе, а соответствующий ему вторичный ток – через реле поврежденной фазы и реле включенное в нулевой провод.

Для случая 1 ф. к.з. фазы А (рис. 3-11,в)

первичные токи: а

вторичные токи: .

При 2-х фазных к.з. на землю токи проходят в двух повреждённых фазах и соответственно в двух реле, а в нулевом проводе проходит ток равный геометрической сумме токов повреждённых фаз.

Для случая 2-х фазного к.з. фаз В и С на землю (рис. 3-11, г)

первичные токи: и

соответствующие или вторичные токи: .

При двойном замыкании на землю в различных точках фаз С и В (рис. 3-11, д) на участке между точками замыкания на землю режим аналогичен 1ф. к.з. фазы В, а между источником питания и ближайшему к нему месту замыкания фазы С – соответствует режиму 2-х фазного к.з. фаз В и С.

Очевидно, что в режимах 1 фазных и 2-х фазных к.з. на землю в первичных токах к.з. появляются токи нулевой последовательности совпадающие по фазе, в нулевом проводе схемы полной звезды будет проходить утроенное значение этого тока поэтому нулевой провод схемы полной звезды является фильтром токов нулевой последовательности.

Учитывая, что реле, установленные в фазах рассматриваемой схемы реагируют на все виды к.з., а реле в нулевом проводе - только на к.з. на землю схему соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду применяют в токовых защитах, действующих при всех видах к.з.

Ток в реле во всех режимах равен току в фазе, поэтому .

Рис. 3-11. Векторные диаграммы токов

а) при 3-х фазном к.з.;

б) при 2-х фазном к.з.;

в) при 1 фазном к.з.;

г) при 2-х фазном к.з. на землю;

д) при двойном замыкании на землю.

Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду

ТТ устанавливаются в двух фазах (обычно А и С), вторичные обмотки и обмотки реле соединяются аналогично схемы полной звезды. В реле проходят токи соответствующих фаз:

и

В обратном проводе проходит ток равный геометрической сумме токов фаз:

Фактически ток в обратном проводе соответствует току фазы В отсутствующей во вторичной цепи.

При нормальном нагрузочном режиме и в режиме 3-х фазного к.з. токи проходят в обоих реле и в обратном проводе.

При 2-х фазном к.з. токи появляются в одном (при к.з. между фазами А‑В и В-С) или двух реле (при к.з. А-С) в зависимости от того, какие фазы замкнулись.

Ток в обратном проводе при к.з. между фазами А-С, в которых установлены трансформаторы тока, будет равен нулю т.к. , а при к.з. между фазами А-В и В-С будет соответственно равен (к.з. А-В) и (к.з. В-С).

При 1 фазных к.з. фаз А или С, в которых установлены ТТ появляется ток в одном реле (в фазе А или С) и в обратном проводе. При 1 фазном к.з. фазы В, в которой ТТ не установлен, токи в схеме неполной звезды не появляются, т.е. схема неполной звезды реагирует не на все случаи однофазных к.з.

Учитывая вышеизложенное схему соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду применяют только для токовых защит, действующих при междуфазных к.з.

Коэффициент схемы .

Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду

ТТ устанавливаются во всех фазах, их вторичные обмотки соединяются последовательно разноимёнными выводами образуя полный треугольник (рис. 3-12, в), а реле соединённые в звезду, подключаются к вершинам этого треугольника.

В каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

; ; .

При симметричной нагрузке и в режиме 3-х фазного к.з. в реле рассматриваемой схемы проходят линейные токи, в раз больше фазных токов и сдвинутые относительно последних по фазе на угол 30⁰ (что видно из векторной диаграммы на рис. 3-12, в).

В таблице 3 – приведены значения токов в фазах и реле схемы треугольника при всех возможных видах междуфазных и однофазных к.з. в предположении, что коэффициент трансформации ТТ равен единице .

Очевидно, что в схеме соединения ТТ в полный треугольник:

• токи в реле появляются при всех видах к.з.;

• отношение тока в реле к фазному току зависит от вида к.з.;

• токи нулевой последовательности не выходят за пределы треугольника, не имея пути для замыкания через обмотки реле (при 1 фазных к.з. в реле попадает только часть тока к.з. – только токи прямой и обратной последовательности).

Учитывая вышеизложенное схему соединения ТТ в треугольник применяют в основном для дифференциальных и дистанционных защит.

В рассматриваемой схеме ток в реле при 3-х фазных симметричных режимах в раз больше тока в фазе, поэтому коэффициент схемы: .

В соответствии с таблицей 3- коэффициент схемы при 2-х фазных к.з. для разных реле соответствует значениям или , а при 1 фазных к.з. - или 0.

Схема соединения 2-х ТТ и одного реле, включённого на разность токов двух фаз

ТТ устанавливаются в 2-х фазах (обычно А и С), их вторичные обмотки соединяются разноимёнными зажимами, к которым параллельно подключается токовое реле. В некоторой литературе эту схему (рис. 3-12, г) называют схемой неполного треугольника.

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме токов двух фаз, в которых установлены ТТ:

,

где: , а

При симметричной нагрузке и в режиме 3-х фазного к.з. ток в реле:

и

При 2-х фазных к.з. между фазами, в которых установлены ТТ (А и С) в реле будет протекать двойной ток, т.к. в этом случае и следовательно:

,

При замыканиях между фазами А-В или В-С в реле поступает ток той фазы, в которой установлен ТТ (I_ или I_C), поэтому:

,

При 1 фазных к.з. на фазах, в которых установлены ТТ (А или С) в реле появляется фазный ток, при этом , а при 1ф. к.з. на фазе, в которой ТТ не устанавливается (В) ток в реле будет отсутствовать и .

Очевидно, что схема на разность токов двух фаз имеет существенные недостатки:

1. Разную чувствительность при различных видах междуфазных к.з. т.к. коэффициенты схемы при разных видах к.з. различны

2. При 1ф. к.з. на фазе, не имеющей ТТ (фаза В), ток вреле равен нулю, поэтому схема не может использоваться в качестве защиты от 1ф. к.з.

Рассматриваемая схема соединения ТТ с одним реле, включённым на разность токов двух фаз применяется только для защит линий от междуфазных к.з. и только в тех случаях, когда она обеспечивает необходимую чувствительность при 2-х фазных к.з.

Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности

ТТ устанавливаются во всех фазах, а одноимённые зажимы их вторичных обмоток соединяются параллельно и к ним подключается обмотка реле (рис. 3-12, д).

В рассматриваемой схеме ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов трёх фаз:

Эта схема является фильтром токов нулевой последовательности.

Ток в реле появляется только в режимах 1ф. к.з. и 2-х фазных к.з. на землю, так как только в этих режимах появляется ток нулевой последовательности.

В режимах симметричной нагрузки и междуфазных к.з. без земли сумма первичных и вторичных токов трёх фаз равна нулю и реле не действует.

Однако, в этих режимах из-за погрешностей ТТ в реле появляется ток небаланса I_н.б., который необходимо учитывать при применении схемы.

Рассматриваемую схему часто называют 3-х трансформаторным фильтром токов I₀ и применяют для защит от однофазных и 2-х фазных к.з. на землю.

Рис. 3-12 Схемы соединения ТТ и реле:

а) полная звезда;

б) неполная звезда;

в) полный треугольник;

г) на разность токов 2-х фаз (неполный треугольник);

д) фильтр токов нулевой последовательности.

Для обеспечения правильного действия токовых защит (двухфазных), при двойных замыканиях на землю в радиальных сетях с односторонним питанием необходима установка ТТ в двухфазных схемах на всех элементах в одноименных фазах (например А и С).

В режимах 2-х фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / и / и при 1 фазных к.з. за трансформаторами с соединением обмоток / различные схемы соединений ТТ и реле работают не одинаково.

Распределение токов к.з. в фазах линии при перечисленных к.з. за трансформаторами характеризуется тем, что токи проходят во всех фазах, причем в одной из фаз ток в 2 раза больше, чем в двух других, и сдвинут по отношению к ним по фазе на 180⁰ (I_А+ I_В+ I_С=0). На рис. 3-13 в виде примера приведён случай 2-х фазного к.з. между фазами А и В за силовым трансформатором /-11 с п_т=1.

Рис.3-13. Замыкание между двумя фазами за трансформатором с соединением обмоток /-11.

Защита по схеме полной звезды реагирует всегда на больший из токов, проходящий по одному из 3-х реле.

Защита по схеме неполной звезды может оказаться в фазах с меньшими токами, поэтому она будет иметь в 2 раза меньшую чувствительность.

Защита по схеме неполного треугольника вообще будет не работать, т.к. ток в ней окажется равным нулю.

Полные данные по поведению всех схем защиты для случаев к.з. за трансформаторами /-11 и до трансформаторов приведены в таблице 3-1.

Таблица 3-1

№ варианта	Схема соединения	К.з. за трансформатором / (на стороне )		К.з. с питающей стороны
		Вид к.з.	Кч отн.	Вид к.з.	Кч. отн.
		К(3)	1
				К(3)	1
				К(2)	1
		К(3)	1	К(3)	1
		К(2)		К(2)	1
		К(3)	1	К(3)	1
			0
			1
			1
		К(3)	1	К(3)	1
		К(2)		К(2)	1
		К(3)	1	К(3)	1
		К(2)	1	К(2)
		К(3)	1	К(3)	1
		К(2)	1

Исходя из вышеизложенного, в распределительных сетях напряжением до 35 кВ широкое применение получили защиты от междуфазных к.з. со схемой неполной звезды. Некоторые её недостатки по сравнению со схемой полной звезды – в 2 раза меньшая чувствительность при двухфазных к.з. за трансформаторами / и / и однофазных к.з. за трансформаторами / с заземлённой нейтралью могут быть устранены включением в обратный провод третьего реле тока. Ток в этом реле будет равен:

,

т.е. равен току третьей фазы (где отсутствует ТТ) и эта схема работает как схема полной звезды.

Схема неполного треугольника по сравнению со схемой неполной звезды имеет ряд недостатков: непригодна в качестве резервной защиты от двухфазных и однофазных к.з. за трансформаторами, а также имеет пониженную чувствительность для МТЗ при двухфазных к.з. между фазами в одной из которых отсутствует ТТ.

Схема полной звезды не нашла широкого использования как наиболее дорогая, т.к. требует установки 3-х ТТ.

Схема полного треугольника используется только на понижающих трансформаторах с глухозаземлёнными нейтралями для предотвращения излишнего срабатывания токовых защит при однофазных и двойных замыканиях (включение реле этой схемы на разности токов фаз исключает прохождение через них слагающих нулевой последовательности).

Выводы:

1. Основные схемы соединения ТТ и токовых реле защит от междуфазных к.з.:

   • неполная звезда;

   • полная звезда;

   • неполный треугольник;

   • полный треугольник.

2. Схема полной звезды реагирует на все виды к.з. и отличается надёжностью, так как при любом между фазном к.з. срабатывают не менее 2-х реле.

3. Схема неполной звезды реагирует на все виды междуфазных к.з. и обладает достаточной надёжностью, т.к. при любом междуфазном замыкании срабатывают по крайней мере 2 реле в схемах с тремя реле.

4. Схемы соединения в треугольник реагируют на все виды междуфазных к.з. и не могут использоваться для подключения защит от однофазных замыканий.

5. Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности применяется для подключения защит от однофазных к.з. в сетях с заземленной нейтралью.

6. Однотрансформаторные фильтры токов нулевой последовательности (с использованием ТНП или ТНПШ) применяются для подключения земляных защит в сетях с изолированной нейтралью.