Контрольные вопросы

I. Какое назначение имеет нулевой провод в схеме полной звезды и обратный провод в схеме неполной звезды?

2. Какие схемы применяются для защиты от коротких замыканий в системах с малыми токами замыкания на землю?

3. Почему в сетях 6…10, 20 и 35 кВ достаточно контролировать ток в двух фазах для защиты от всех междуфазных к.з.?

4. Какую схему нельзя применить для токовой защиты силового трансформатора с соединением обмоток Y/Δ или ?

5. В каких случаях и для каких целей схему неполной звезды дополняют еще одним реле, включаемым в нулевой провод?

6. Какие недостатки схемы включения реле на разность токов двух фаз не позволяют применять ее в условиях малых кратностей токов короткого замыкания?

7. Почему в сетях 0,38 кВ необходимы трехфазные схемы защиты от коротких замыканий?

Работа 22. Максимальные токовые защиты с независимой выдержкой времени. Токовые отсечки

Содержание работы

1. Рассчитать параметры и наладить защиту элементов подстанции (рис. 7.22): МТЗ отходящей линии и силового трансформатора, токовую отсечку силового трансформатора.

2. Определить параметры защиты I_с.з, t_с.з и подобрать уставки реле.

3. Определить коэффициенты чувствительности защиты и сравнить с допустимыми значениями для данного типа защиты.

4. Подобрать реле и выполнить схемы защиты.

5. Опробовать каждую защиту при коротких замыканиях в основной зоне и зоне резервирования.

6. Построить диаграмму выдержек времени и проверить селективность защиты подстанции в целом при к.з. в различных точках схемы электроснабжения.

Общие сведения

Токовые защиты широко применяют для защиты от к.з. линий, трансформаторов, генераторов и двигателей.

При осуществлении максимальной токовой защиты с выдержкой времени обычно используют токовые реле (пусковой орган) и реле времени (орган выдержки времени). В отдельных типах реле, как, например, РТ-80, РТ-90, РТВ, оба органа объединены в одно реле.

Основные параметры МТЗ:

ток срабатывания защиты I_c.p выбирают более максимального рабочего тока защищаемого элемента;

выдержка времени t_с.з, выбираемая по ступенчатому принципу, согласно которому каждый последующий комплект защиты по направлению к источнику питания имеет время срабатывания на ступень больше, чем наибольшая выдержка времени из всех предыдущих защит.

Токовая отсечка без выдержки времени имеет один орган – токовый пусковой. Для обеспечения селективности ее действия используется отстройка защит по току, т.е. ток срабатывания отсечки отстраивается от максимально возможной силы тока, который может протекать через защиту при внешних к.з. или других ненормальных режимах работы, когда она не должна работать. Так, для силовых трансформаторов дополнительно отстраиваются от бросков токов намагничивания.

Максимальные токовые защиты обладают относительной селективностью и могут приходить в действие при внешних к.з., резервируя предыдущие защиты. Поэтому для каждой защиты выявляют основную зону действия и зону резервирования. Например, для МТЗ силового трансформатора (рис. 7.22) основная зона – от выводов со стороны питания (точка К₄) до пре­дыдущей защиты линии (точка К₃', выключатель В2). Короткие замыкания в точках К₃, К₂ и других могут войти в зону ее резервирования. Для защиты отходящей линии основная зона – от места установки защиты К₃ до предыдущей защиты К₂; точка К₁ входит в зону резервирования.

Рис. 7.22. Максимальные токовые защиты с независимой выдержкой времени и токовые отсечки: 1, 2, 3 – МТЗ линии; 4, 9 – токовые отсечки; 5, 6, 7 – МТЗ силового трансформатора; 8 – выходное промежуточное реле

Ток срабатывания МТЗ определяют из условия

где k_н – коэффициент надежности, учитывающий погрешности реле (для реле типа РТ-40 и РТ-80 k_н = l,2, для реле РТМ и РТВ k_н = 1,3…1,4); k_в – коэффициент возврата реле (для реле РТ-40 и РТ-80 k_в = 0,8…0,85, для реле РТВ k_в = 0,6…0,7); k_сзп – коэффициент самозапуска, учитывающий возрастание тока за счет пусковых токов электродвигателей (для линий 10 кВ сельских районов k_сзп = 1,2…1,3); I_раб max – максимальный ток защищаемого элемента.

При наличии последовательно включенных защит необходимо обеспечить условие их согласования по чувствительности.

Для рассматриваемой схемы сети:

I_с.з3 > I_с.з2 > I_с.з1.

Выполняется ли это условие с учетом влияния максимальных рабочих токов и погрешности реле, можно проверить специальным расчетом, используя коэффициент согласования смежных защит по чувствительности.

Ток срабатывания реле определяют по выражению

где  – коэффициент схемы при симметричном режиме. Для схем соединения трансформаторов тока в полную и неполную звезду  = 1; при включении реле на разность токов двух фаз А и С n_т.т – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Ток уставки реле:

I_у ≥ I_с.р.

Чувствительность МТЗ оценивается коэффициентом чувствительности

где I_к.min – минимальное значение тока к.з. (в конце защищаемого участка или в конце зоны резервирования) при заданном виде к.з. (для сельских сетей 10 кВ – двухфазном к.з.); I'_с.з – уточненное (с учетом выбранной уставки) значение тока срабатывания защиты

Нормируемые значения для основной зоны k_ч.доп = 1,5, для зоны резервирования k_ч.доп < 1,2…1,3.

Если по расчету k_ч < k_ч.доп, то необходимо повысить чувствительность, изменив схему МТЗ, или заменить ее на более совершенную защиту, или уменьшить основную зону защиты за счет установки на линии секционирующего выключателя с защитой.

Максимальное значение тока срабатывания защиты можно определить из условий обеспечения нормируемой чувствительности:

Ток срабатывания токовой отсечки силового трансформатора выбирают из условий:

отстройки от максимального тока при внешних к.з.

где k'_н – коэффициент надежности (для реле РТ-40 k'_н = 1,3,…1,4, для реле РТ-80 k'_н = l,6); I⁽³⁾_н.max – ток трехфазного к.з. за трансформатором, приведенный к напряжению со стороны питания;

отстройки от броска тока намагничивания трансформатора

I_с.отс ≥ (3…5) I_н.т,

где  – номинальный ток защищаемого трансформатора.

Значение тока при к.з. за силовым трансформатором (в данном случае в точке К₃) необходимо приводить к напряжению в месте установки отсечки (со стороны питания) путем деления на коэффициент трансформации трансформатора.

Коэффициент чувствительности отсечки трансформатора в отличие от коэффициента чувствительности МТЗ проверяют при к.з. не в конце защищаемой зоны, а по току при к.з. в месте установки защиты (в данном случае точка К₄):

На выбор токов срабатывания и чувствительность защиты оказывает влияние принимаемая схема включения реле и трансформаторов тока.

При включении одного реле на разность токов двух фаз значения коэффициента схемы k_cx меняются в зависимости от вида к.з. Поэтому при выборе тока срабатывания реле максимальных токовых защит, когда отстройку делают от рабочих симметричных токов, используют

При выборе тока срабатывания отсечки реле нужно отстраивать от наибольшего тока короткого замыкания, поэтому учитывают k_сх.max = k⁽²⁾_сх АС = 2.

При проверке минимального коэффициента чувствительности необходимо использовать k_cx.min = k⁽²⁾_{сх. АВ, ВС} = 1, когда ток в реле наименьший, а пер­вичный ток срабатывания при выбранной уставке на реле имеет наибольшее значение.

Для схемы полной и неполной звезды k_сх = 1 независимо от вида к.з. Для последней схемы вид короткого замыкания имеет значение только при проверке k_ч в случае к.з. за силовым трансформатором с соединением обмоток Y/Δ или . За расчетный случай следует принять к.з., при котором токи в обоих реле будут меньше тока в фазе, где трансформатор тока и реле отсутствуют.

Выдержка времени МТЗ выбирается согласно ступенчатому принципу:

t_с.з = t_n–1 max + Δt_n.

Ступень выдержки времени:

Δt_n = t_{выкл. n–1} + t_п.(+)n–1 + t_п.(–)n + t_ин.n + t_зап,

где t_{выкл.n–1} – время действия выключателя предыдущей защиты (по направлению от приемника энергии к источнику) с момента подачи импульса тока на отключающую катушку до момента гашения дуги; t_п.(+)n–1 – положительная погрешность во времени действия предыдущей защиты (0,05…0,1 с для вторичных реле косвенного действия и 0,3…0,5 с в независимой части характеристик встроенных реле прямого действия типа РТВ); t_п.(–)n – отрицательная погрешность времени защиты данного участка; t_ин.n – время инерционного выбега защиты данного участка; t_зап – время запаса порядка 0,1 с на случай неточного учета отдельных слагаемых.

При использовании масляных выключателей на напряжение 10 и 35 кВ с соответствующими приводами к ним ступень выдержки времени может быть равна 0,5…0,6 с (для защит со вторичными реле косвенного действия) и 0,7…1,0 с (для защит с реле прямого действия типа РТВ).

Указания к выполнению работы

1. Ознакомиться со схемой электрических соединений подстанций (см. рис. 7.22) и объяснить принцип выполнения схем МТЗ линии, силового трансформатора и токовой отсечки силового трансформатора.

Объяснить назначение промежуточного реле в схеме защит силового трансформатора и отсутствие его в защите липни.

2. Измерить рабочие токи в защищаемой линии I_л.раб и в силовом трансформаторе I_т.раб со стороны питания, а также токи короткого замыкания в тех же цепях при к.з. в точках К₁, К₂, К₃ и К₄.

Для определения первичных значений токов принять коэффициенты трансформации трансформаторов тока, линии и силового трансформатора п_т.т = 10.

3. Рассчитать параметры и поочередно наладить МТЗ линии и силового трансформатора.

Схему каждой защиты собирают и опробуют в отдельности, начиная с наиболее удаленной от источника. При этом другие собранные защиты выводят из действия путем отключения питания одной из оперативных цепей, например, снятием плюса оперативного тока с контактов токового реле.

Для расчета МТЗ отходящей линии исходные данные приведены в табл. 7.1 в зависимости от варианта задания.

Таблица 7.1

Исходные данные для расчета МТЗ

№ варианта	Выдержки времени предыдущих защит, с		Схема соединения трансфор­маторов тока и обмоток реле	kсзп
	tI	t'I
1	0,1	0,8	Неполная звезда	1,0
2	0,8	0,1	Неполная звезда	1,2
3	0,5	0,1	Неполная звезда	1,3
4	0,8	0,1	Включение реле на раз-	1,1
			ность токов двух фаз

Для МТЗ силового трансформатора принято, что защита включена по схеме неполной звезды, k_с = 1. При выборе тока срабатывания необходимо учесть возможность перегрузки трансформатора на 10 %. Выдержка времени защиты другой отходящей линии t₂' составляет 2 с.

Токовая отсечка трансформатора. Ток срабатывания отсечки без выдержки времени силового трансформатора выбирают исходя из двух условий: отстройки от максимальных токов к.з. при внешних коротких за­мыканиях; отстройки от бросков тока намагничивания, появляющихся при включении трансформатора.

В связи с этим необходимо правильно выбрать расчетную точку к.з., которая определяет максимальное значение тока, протекающего через реле отсечки при внешних к.з. (в данном случае точка К₃). Силу тока намагничивания определяют опытным путем при включении трансформатора под напряжение. Обычно достаточно принять I_с.отс = (3…4)I_н.т.

Коэффициент чувствительности отсечки в отличие от коэффициента чувствительности МТЗ проверяют не по току к.з. в конце защищаемой зоны, а по току к.з. в месте установки защиты (в данном случае К₄).

4. После опробирования каждой защиты в отдельности проверить селективность работы всех защит в целом при к.з. в К₁, К₂, К₃, К₄. По выпадению флажков указательных реле определяют защиты, которые срабатывают; по положению буксирной стрелки на реле времени приближенно отмечают время работы каждой зашиты, затем дают общую оценку настройки защиты.

По данным расчетов и опытов построить в масштабе времени ступенчатую характеристику выдержек времени защит линий и силового трансформатора с учетом действия отсечки (рис. 7.23).

Рис. 7.23. Ступенчатая характеристика выдержек времени МТЗ и отсечки

Пример расчета максимальной токовой защиты линии. Исходные данные приведены на рис. 7.24а.

Выбираем наиболее широко используемую для защиты сельских сетей 10 кВ схему неполной звезды. Для реле РТ-40 принимаем следующие значения коэффициентов: k_н = 1,2; k_в = 0,85; k_сзп = 1,2.

1. Определяем ток срабатывания реле по выражению

Рис. 7.24. К расчету МТЗ: а – линии 10 кВ; б – токовой отсечки силового трансформатора

2. Выбираем уставку I_у ≥ I_с.р и исполнение реле; учитывая, что реле РТ-40 с плавным регулированием тока срабатывания, можно принять I_у = 5,65 А; исполнение реле РТ-40/20, соединение обмоток последовательное.

3. Проверяем чувствительность защит при к.з. в конце основной зоны (в точке К₂) и при к.з. в конце зоны резервирования (в точке K₁) с учетом минимальных токов при двухфазных к.з., I_к⁽²⁾ = 0,87I_к⁽³⁾.

В основной зоне

1,67 > k_ч.доп = 1,5.

В резервной зоне

4. Определяем выдержки времени защит по ступенчатому принципу, принимая ступень Δt = 0,5 с; t₂ = t₁ + Δt = 0,5 + 0,5 = 1 с.

Пример расчета токовой отсечки силового трансформатора. Исходные данные приведены на рис. 7.24б. Принимаем схему неполной звезды (k_сх = 1) с реле РТ-40.

1. Выбираем расчетную точку к.з. – внешнее к.з. в точке К₁.

2. Определяем максимальный ток со стороны установки отсечки при внешнем коротком замыкании:

3. Выбираем ток срабатывания защиты, исходя из двух условий:

отстройки от внешних к.з.

I_с.отс = k_нI_к.внеш = 1,3·120 = 136 А;

отстройки от бросков токов намагничивания

Таким образом, расчетным является первое условие и I_с.отс = 136 А.

4.Выбираем ток срабатывания реле отсечки

5. Выбираем уставки и исполнения реле. Реле РТ-40/20, I_у.отс = 14 А, соединение обмоток параллельное.

6. Проверяем чувствительность отсечки потоку при к.з. в месте ее установки:

4,15 > k_ч.доп = 2.