Токовые направленные отсечки

Токовые направленные отсечки основаны на том же принципе, что и токовые ненаправленные отсечки.

Реле направления мощности в схемах направленных отсечек не позволяет им действовать при мощности к.з. направленной к шинам. Следовательно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки должна вестись только от токов к.з. направленных от шин в линию. В этом заключается принципиальное отличие токовой направленной отсечки от ненаправленной.

Направленные отсечки применяются в сетях с 2-х сторонним питанием, тогда обычная токовая отсечка оказывается слишком грубой из‑за необходимости отстройки её от тока к.з. протекающего с противоположного конца защищаемой линии к шинам подстанции, где установлена ТО. В этом случае I_с.з. у направленной отсечки меньше, а зона её действия значительно больше, чем у ненаправленной отсечки.

Схема мгновенной направленной отсечки отличается от схемы направленной максимальной токовой защиты только отсутствием реле времени.

Направленные ТО могут выполняться мгновенными или с выдержкой времени. Ток срабатывания её выбирается аналогично простой ТО с тем отличием, что направленную токовую отсечку не требуется отстраивать от к.з. за шинами данной подстанции (от к.з. «за спиной»), т.к. в этом случае мощность к.з. направлена к шинам и защита блокируется реле направления мощности. Кроме того, направленные отсечки необходимо отстраивать от токов при качаниях или снабжать специальной блокировкой от качаний.

Сочетание токовых направленных отсечек (мгновенных и с выдержками времени) и максимальных токовых направленных защит позволяет получить токовые направленные защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени.

Как правило, первые и вторые ступени представляют собой токовые направленные отсечки без выдержки времени и с выдержкой времени, а третья ступень – максимальную токовую направленную защиту.

Ступенчатые направленные защиты являются основным видом защит для линий напряжением до 35 кВ в кольцевых сетях, а также в сетях с 2-х сторонним питанием.

Выводы:

1. Применение органа направления мощности (реле направления мощности) позволяет обеспечить селективность токовых защит в кольцевых сетях с одним источником питания, а также в радиальных сетях с несколькими источниками питания.

2. К недостаткам токовых направленных защит относятся:

   • большие выдержки времени вблизи источников питания;

   • недостаточная чувствительность в нагруженных и протяжённых линиях;

   • наличие «мёртвой зоны» при 3-х фазных к.з. вблизи источников питания;

   • возможность неправильного выбора направления мощности к.з. при подключении реле направления и мощности к цепям тока и напряжения.

3. Направленные токовые защиты отличаются простотой и надёжностью и широко применяются в качестве основных защит в сетях напряжением до 35 кВ.

В сетях напряжением 110 и 220 кВ токовые направленные защиты используются как резервные.

4. Защиты линий от замыканий на землю

   1. Защиты от замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания на землю.

Электрические сети напряжением 110 кВ и выше, как правило, выполняются с глухим заземлением нулевых точек трансформаторов. Такие сети являются сетями с большими токами замыкания на землю, так как в них к.з. на землю сопровождаются прохождением больших токов к.з., которые значительно превышают токи нагрузки и приводят к значительным разрушениям электрооборудования и понижению напряжения.

Для защиты линий от к.з. на землю (однофазных и двухфазных) применяются специальные защиты, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности. Необходимость установки на линиях специальной защиты нулевой последовательности вызвана тем, что однофазные к.з. на линиях являются преобладающими, а защита, включаемая на ток и напряжение нулевой последовательности, осуществляется наиболее просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной ранее токовой защитой, реагирующей на полные токи фаз.

Защиты нулевой последовательности выполняются в виде МТЗ и ТО.

Напомним основные положения из метода симметричных составляющих, касающихся токов и напряжений нулевой последовательности, возникающих в сети при к.з. на землю.

Сущность этого метода состоит в том, что любая 3-х фазная несимметричная система векторов токов или напряжений может быть заменена суммой 3-х симметричных систем:

Векторные диаграммы систем симметричных составляющих представлены на рис.4-1.

Рис.4-1. Векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

а) прямой последовательности; б) обратной последовательности;

в) нулевой последовательности.

Из рис. 4-1 видно, что:

• Векторы прямой последовательности вращаются против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А-В-С;

• Вектора обратной последовательности вращаются в чередовании А-С-В;

• Векторы нулевой последовательности совпадают по фазе и по направлению.

В нормальном симметричном режиме, а также при симметричном 3-х фазном к.з. полные токи и напряжения равны току и напряжению прямой последовательности, составляющие обратной и нулевой последовательности равны нулю.

Составляющие обратной последовательности возникают в сети при любой несимметрии: 1 фазные к.з., 2-х фазные к.з., обрыв фазы, несимметричная нагрузка.

Из теории симметричных составляющих при замыканиях на землю необходимо выделить следующие положения:

1. Составляющие нулевой последовательности появляются только при к.з. на землю (однофазных и 2-х фазных), а также при обрыве одной или двух фаз. При междуфазных к.з. без земли (3-х и 2-х фазных) токи и напряжения нулевой последовательности отсутствуют.

Например, при к.з. на фазе А токи в месте повреждения равны:

;

и т.к.

то

(4-1)

Напряжение повреждённой фазы в месте к.з. , т.к. эта фаза связана с землёй, поэтому напряжение нулевой последовательности:

(4-2)

При однофазном к.з. ток нулевой последовательности в месте повреждения равен 1/3 тока к.з. в той же точке и совпадает с ним по фазе, а напряжение нулевой последовательности равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Таким образом, в месте к.з. на землю проходит ток равный сумме токов нулевой последовательности I₀ всех трёх фаз, который и является действительным током повреждения I_K=3I₀. Этот ток направляется через землю к заземлённым нейтралям трансформаторов и возвращается в фазы сети, причем появление токов нулевой последовательности возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземлёнными нейтралями.

2. Если трансформатор имеет соединение обмоток /, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой последовательности на стороне звезды.

3. Если сети различных напряжений связаны трансформатором, имеющим схему соединения /, с заземлёнными нулевыми точками обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды.

4. При наличии автотрансформаторов, связывающих сети двух напряжений, замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения.

Распределение токов нулевой последовательности при однофазном к.з. представлены на рис. 4-2.

Рис.4-2 Распределение токов нулевой последовательности при 1ф. к.з.

а) при заземлении нейтрали с одной стороны линии;

б) при заземлении нейтралей с обеих сторон линии;

в) при заземлении нейтралей в сети ВН и НН;

г) при к.з. в сети с АТ.

МТЗ нулевой последовательности представлена на рис. 4-3.

Рис.4-3. Схема МТЗ нулевой последовательности.

Токовое реле 1 включается на фильтр токов нулевой последовательности или в нулевой провод трансформаторов тока, соединенных по схеме полной звезды.

Реле времени 2 создаёт выдержку времени, необходимую по условию селективности.

При междуфазных к.з. без земли, а также при симметричной нагрузке защита не действует, поскольку в этих режимах сумма токов и ток I₀ отсутствует.

МТЗ нулевой последовательности имеет важное преимущество по сравнению с обычной МТЗ, так как не реагирует на нагрузку и поэтому имеет высокую чувствительность.

Для исключения действия защиты нулевой последовательности от токов небаланса из‑за имеющих место погрешностей ТТ от намагничивающих токов, величину тока срабатывания пусковых токовых реле защиты необходимо выбирать больше тока небаланса.

Для ограничения тока небаланса необходимо работать в ненасыщенной части характеристик намагничивания ТТ и иметь одинаковые токи намагничивания во всех фазах. Чтобы обеспечить эти условия, ТТ питающие защиту должны:

• удовлетворять условию 10% погрешности при максимальном значении тока к.з. в начале следующего участка сети;

• иметь идентичные характеристики намагничивания во всех 3-х фазах;

• иметь одинаковые нагрузки вторичных цепей во всех фазах.

Таким образом, ток срабатывания МТЗ нулевой последовательности выбирается исходя из 2-х условий: по условию надёжного срабатывания защиты при к.з. в конце следующего участка цепи; по условию отстройки от токов небаланса:

Определяющим обычно является второе условие:

(4-3)

где:
Кн=1,31,5

Время срабатывания МТЗ нулевой последовательности выбирается по условию селективности на ступень t больше времени срабатывания защиты предыдущего участка

Выбирая выдержку времени необходимо учитывать, что защита нулевой последовательности может не действовать при к.з. за трансформатором, если при этом в защите ток 3I₀=0.

Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности:

где:
I0 мин.	-	минимальный ток нулевой последовательности при 1ф. к.з. или 2-х ф. к.з. на землю в конце второго участка.

Для ускорения отключения к.з. на землю в сетях с односторонним питанием с глухозаземленной нейтралью применяются токовые отсечки нулевой последовательности. Принцип действия их такой же, как и у отсечек реагирующих на фазный ток.

Мгновенная отсечка нулевой последовательности отстраиваются от максимального тока нулевой последовательности при к.з. на землю на шинах противоположной подстанции:

(4-4)

Отсечка нулевой последовательности с выдержкой времени отстраивается по току и времени от мгновенной отсечки нулевой последовательности предыдущей линии:

Зона действия находится графически по точке пересечения кривой с прямой I_с.з. (Рис. 4-4).

Рис.4-4. Защита линии с помощью ТО нулевой последовательности.

Схема отсечки с выдержкой времени аналогична схеме МТЗ нулевой последовательности (Рис. 4-3). Мгновенная отсечка выполняется также, но без реле времени.

Ненаправленные ТО нулевой последовательности можно применять также в сети, имеющей заземления нейтралей с 2-х сторон защищаемой линии (для линий с 2-х сторонним питанием) (Рис. 4-5).

Рис.4-5. Расчёт I_с.з. мгновенной ТО нулевой последовательности в сети с 2-х сторонним питанием.

Большое распространение в сетях с глухозаземлённой нейтралью получила ступенчатая защита нулевой последовательности. Наиболее полноценной является 3-х ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, состоящая из мгновенной ТО, токовой отсечки с выдержкой времени и МТЗ нулевой последовательности (Рис. 4-6).

Рис.4-6. Принципиальная схема 3-х ступенчатой токовой защиты нулевой последовательности.

Выводы:

1. Для защиты линий от к.з. на землю в сетях с большими токами замыкания на землю применяются токовые защиты, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности (МТЗ и ТО).

2. МТЗ нулевой последовательности имеет важное преимущество по сравнению с обычной МТЗ – не реагирует на нагрузку и поэтому обладает высокой чувствительностью.

3. МТЗ и ТО нулевой последовательности нашли широкое применение в сетях с глухозаземлённой нейтралью источника в радиальных сетях с односторонним питанием.

4. Наиболее полноценной защитой от к.з. на землю является 3-х ступенчатая токовая защита нулевой последовательности, состоящая из мгновенной ТО (1 ступень), ТО с выдержкой времени (2 ступень) и МТЗ нулевой последовательности (3 ступень).