Максимальная токовая защита

Максимальная  токовая защита

          При возникновении короткого замыкания в электрической системе в большинстве случаев возрастает ток до величины, значительно превосходящей максимальный рабочий ток. Защита, реагирующая на это возрастание, называется токовой. Токовые защиты являются наиболее простыми и дешевыми. Поэтому они широко применяются в сетях до 35 кВ включительно.

          Комплекты токовых защит устанавливаются со стороны питания линии для отключения выключателей 1, 2, 3. При повреждении на одном из участков сети ток повреждения проходит через все реле. Если ток короткого замыкания больше тока срабатывания защит, эти защиты придут в действие. Однако, по условию селективности, сработать и отключить выключатель должна только одна максимальная токовая защита – ближайшая к месту повреждения.

 

 

 

Такое действие защиты может  быть достигнуто двумя способами. Первый основан на том, что ток повреждения  уменьшается при удалении от места  повреждения. Выбирается ток срабатывания защиты больше максимального значения тока на данном участке при повреждении на следующем, более удаленным от источника питания. Второй способ – создание у защит выдержек времени срабатывания тем больших, чем ближе защита расположена к источнику питания.

 

 

 

В момент времени t1 происходит короткое замыкание. В момент времени t2 срабатывает максимальная токовая защита (МТЗ) и отключает выключатель. Двигатели при коротком замыкании в результате снижения напряжения затормозились и ток их при восстановлении напряжения увеличился. Поэтому вводится коэффициент kз – коэффициент самозапуска двигателей. Также вводится коэффициент надежности kн для учета различного рода погрешностей – трансформаторов тока и др. После отключения внешнего короткого замыкания максимальная токовая защита должна вернуться в исходное состояние. Ток возврата определяется по следующему выражению:

 

 

 

 

Значения токов срабатывания и возврата должны быть близки. Вводится коэффициент возврата:

 

 

 

 

С учетом коэффициента возврата ток срабатывания определяется следующим  образом:

 

 

 

 

У «идеальных» реле коэффициент  возврата равен 1. Реальные реле защиты имеют коэффициент возврата меньший 1 за счет трения в подвижных частях и др. Чем выше коэффициент возврата, тем меньший ток срабатывания можно выбрать при данной нагрузке, следовательно, тем чувствительнее максимальная токовая защита.

 

Выдержки времени защит  выбираются таким образом, чтобы  каждая последующая по направлению  к источнику питания защита имела время срабатывания большее, чем максимальная выдержка времени предыдущей на величину ступени селективности.

 

 

 

Ступень селективности зависит  от погрешностей измерительных органов  защит и разброса времени срабатывания выключателей.

 

Существуют несколько  типов характеристик срабатывания токовых защит – независимые  и зависимые. Зависимые характеристики срабатывания удобно согласовывать с защитными характеристиками предохранителей и характеристиками нагрева защищаемых присоединений, например электродвигателей. Наиболее часто используются зависимые характеристики по стандарту МЭК:

 

 

 

 

где A,n – коэффициенты, k – кратность тока k = Iраб/Icp.

 

 

Токовая отсечка

 

Токовая отсечка - мгновенно действующая  токовая защита, селективность действия которой по отношении к защитам смежных участков достигается выбором тока срабатывания Iсз большим максимального тока внешнего короткого замыкания Iкз.вн.мах.

 

Работа защиты на защищаемом участке  обеспечивается тем, что ток в  линии увеличивается по мере приближения  места повреждения к источнику  питания. Время срабатываниятоковой отсечки складывается из времени действия токового и промежуточного реле и составляет tотс = 0,04 - 0,06 с.

 

Рассмотрение принципа действия токовой  отсечки проведем для радиальной линии с односторонним питанием. Максимальный ток внешнего короткого  замыкания в защищаемой линии  АБ длиной l имеет место при металлическом коротком замыкании в начале следующей линии, у шин подстанции Б (точка К).

 

 

 

Для селективной работы токовой  отсечки линии АБ ток срабатывания выбирается для трехфазного короткого замыкания следующим образом:

 

Iсз = kотс х Iкз.вн.мах.

 

Особенность работы токовой отсечки: защищаемая зона, характеризующая чувствительность защиты, составляет только часть линии (Iсз кз). Согласно правил устройства электроустановок токовая отсечка считается эффективной, если зона действия в минимальном режиме не меньше 20 % длины линии. Обычно токовая защита устанавливается вместе с максимальной токовой защитой (МТЗ) с выдержкой времени на первых участках защищаемой линии.

 

 

 

Токовые отсечки также могут  применяться для защиты линий  с двусторонним питанием.

 

 

 

Токовые отсечки устанавливаются  с обеих сторон линии АБ. Для  их селективной работы должна выполняться отстройка от максимального тока внешнего замыкания. Рассматриваются несколько случаев:

 

 Iсз кз.махА

 

 Iсз кз.мах.Б

 

Далее выбирается большее значение. Т.к. в данном случае Iкз.махА кз.мах.Б, то ток срабатывания отсечек по обоим концам линии одинаков и равен Iсз = kотс х Iкз.махА.

 

Как видно, образовалась зона нечувствительности, при коротком замыкании в которой  ни одна из токовых отсечек не срабатывает. В минимальном режиме нагрузки зона нечувствительности возрастает.

 

Так как время действия отсечки  мало, практически мгновенное, то при  выборе тока срабатывания необходимо учитывать влияние апериодических составляющих, значения которых высоки именно в первые периоды существования тока короткого замыкания. Отстройка от апериодической составляющей производится выбором коэффициента отсечки kотс = 1,2 - 1,3. В случае использования на линиях с двусторонним питанием, также отстраиваются от токов качания.

 

Для отсечек, зона действия которых  охватывает только часть линии, важна  одинаковая чувствительность при различных видах коротких замыканий. Поэтому для защиты от многофазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью обычно используется схема соединения ТТ в неполную звезду.

 

 

 

Для защиты от перенапряжений воздушных  линий, не покрытых тросами, используются разрядники, создающие искусственные  короткие замыкания на землю, длительностью  до 1,5 периода, что соразмеримо со временем действия токовой отсечки. Для отстройки от работы разрядников используется промежуточное реле П со временем срабатывания 2-4 периода.

 

Область применения токовых отсечек: применяются как вспомогательные  защиты для сокращения времен отключения повреждения. В некоторых случаях  мгновенная токовая отсечка может  служить основной защитой, например на радиальных линиях, питающих понижающие трансформаторы.

 

Преимущества токовой отсечки:

 

1. Селективность работы в сетях  любой конфигурации с любым  числом источников питания. 

 

2. Быстрое отключение наиболее  тяжелых для системы коротких  замыканий, расположенных вблизи  шин станций и подстанций.

 

Недостатки: Защищают только часть  длины линии при металлических  коротких замыканиях. При повреждении через переходное сопротивление зона действия токовой отсечки может снизиться до нуля.

 

 

Максимальная направленная защита

 

Максимальная токовая (ненаправленная) защита (МТЗ) используется главным образом  для защиты радиальных линий с  односторонним питанием. В кольцевой  сети, в сети с двухсторонним питанием и особенно в сложных сетях с несколькими источниками питания МТЗ в большинстве случаев не может обеспечить селективного действия.

 

Действие МТЗ в кольцевой  сети:

 

 

Пусть на линиях будут заданы выдержки времени МТЗ на линиях, отходящих  к нагрузкам: t7=1сек и t8=0,5сек. При  ступени селективности Δ t=0,5сек выдержки времени остальных защит определяются по ступенчатому принципу и составляют:

 

на выключателе 4 t4=1+0,5=1,5сек

 

3 t3=1,5+0,5=2сек

 

2 t2=2+0,5=2,5сек

 

1 t1=2,5+0,5=3сек

 

5 t5=2+0,5=2,5сек

 

6 t6=2,5+0,5=3сек.

 

При такой настройке МТЗ будет  действовать селективно при к .з. на линиях, отходящих к нагрузке, и на шинах подстанции n1 и n2. Однако при К.З. на линиях Л1 и Л2 защита будет действовать неселективно. Изменением выдержек времени МТЗ в сети получить ее селективное действие невозможно. Для селективного отключения повреждений в такой сети необходимо, чтобы защита на выключателях 2,3,4,5 различала, на какой из линий произошло К.З. Таким свойством обладает максимальная направленная защита (МНЗ).

 

МНЗ состоит из пускового органа, осуществляемого токовым реле, органа направления мощности и органа выдержки времени.

 

 

Защита действует на отключение только в том случае, если срабатывает  не только токовые реле, но и реле мощности, которое замыкает свои контакты, только при направлении мощности К.З. от шин в линию. Выбор выдержек времени МНЗ производится по ступенчатому принципу, но с учетом направленности их действия, т.е. производится согласование уставок защит, действующих в одном направлении. Так, например, вначале выбираются выдержки времени защит, имеющих нечетные номера начиная от наиболее удаленной от источника питания защиты 7, на которой следует установить t=0 сек.

 

Рассмотрим следующею схему сети (рис.7.2). Выдержка времени на выключателе 5 должна удовлетворять двум условиям:

 

1) t5=t7+ Δ t=0+0,5=0,5сек;

 

2) t5=t10+ Δ t=0,5+0,5=1сек.

 

 

Второе условие, дающее большую  выдержку времени является определяющим.

 

Выдержка времени следующей  защиты на В-3 должна удовлетворять  также двум условиям:

 

1) t3=t5+ Δ t=1+0,5=1,5сек;

 

2) t3=t11+ Δ t=0,5+0,5=1сек.

 

Первое условие, дающее большую  выдержку времени является определяющим.

 

Выдержка времени на В-1 равна:

 

t1=t3+ Δ t=1,5+0,5=2сек.

 

Затем аналогично выбираются выдержки защит в другую сторону:

 

t2=0сек, t4=1,5сек, t6=2сек, t8=2,5сек.

 

Рассматривая повреждения на любой  из линий, нетрудно убедиться, что отключаться  будет только поврежденная линия  и, что будет сохраняться питание  всех подстанций. Защиты 1,8,3,6 могут  быть ненаправленными.

 

I. Ток срабатывания пусковых  токовых реле МНЗ.

 

Ток срабатывания выбирается так же, как для МТЗ и так, чтобы  обеспечить выполнение следующих условий:

 

 

защита не должна действовать при  прохождении по защищаемой линии  тока нагрузки;

 

 

защита должна действовать при  К.З. на защищаемом участке и иметь  коэффициент чувствительности не менее 1,5;

 

 

защита как правило должна действовать и при К.З. на смежном участке с коэффициентом чувствительности в конце смежного участка не менее 1,2.

 

Для выполнения первого условия  ток срабатывания должен быть более максимального тока нагрузки. Однако выполнение одного этого требования недостаточно для отстройки от максимального тока нагрузки.

 

 

Рассмотрим поведение защиты I. После отключения поврежденной линии  Л2, ток К.З. прекратится и по линии Л1 вновь проходит максимальный ток нагрузки. При этом новое значение максимального тока нагрузки может значительно превышать ток предварительного режима за счет самозапуска электродвигателей при восстановлении напряжения. В этих условиях пусковые токовые реле защиты I, сработавшие в момент возникновения К.З. должны вернуться в исходное положение, до того как истечет выдержки времени защиты, что обеспечивается только в том случае, если ток возврата токовых реле будет более тока нагрузки послеаварийного режима. Увеличение тока нагрузки в результате самозапуска электродвигателей учитывается коэффициентом самозапуска Кз. Таким образом, для выполнения первого условия необходимо, чтобы:

Схемы МНЗ весьма многообразны и  отличаются в основном следующим:

 

 

1 типом пускового органа (токовые реле, токовые реле с блокировкой минимального напряжения, реле минимального напряжения);

 

 

2 типом органа направления мощности (однофазные или трехфазные реле направления мощности);

 

 

3 способом подвода напряжения к реле направления мощности (постоянно или в момент аварии);

 

 

4 наличием или отсутствием выдержки времени;

 

 

5 трехфазным или двухфазным исполнением;

 

 

6 оперативным током (постоянным или переменным);

 

 

7 схемой вспомогательного органа направления мощности.

 

 

Дифференциальная защита силового трансформатора (реальный пример)

 

Одна из основных защит силового трансформатора. Работает по принципу разности токов, протекающих через защитную зону. Грубо говоря, сколько втекло амперов, столько должно и вытечь. Как только возникает разница между входящими и выходящими токами защита срабатывает. Давайте, разберем пример:

Вот реальная оперативная схема  типовой трансформаторной подстанции с одним трансформатором 35/10кВ. Необращайте внимания на оперативные названия, это литовская подстанция. Следовательно и язык литовский. Поставленная еще в далекие советские времена ТП Адутишкис до сих пор радует одноименный поселок стабильным энергоснабжением.

Собственно, какие составные части  этой подстанции? На высокой(35кВ) стороне  – две исходящие линии, соединенные между собой масляным секционным выключателем ТS-30. Поскольку через эту подстанцию проходит транзит, секционник ТS-30 включен. От 35кВ шин через вводной 35кВ масляный выключатель запитан силовой трансформатор Т-2. На низкой (10кВ) стороне от трансформатора через вводной масляный выключатель Т-12 запитаны сборные шины. От них, в свою очередь, запитаны исходящие 10кВ линии (фидера) и измерительный трансформатор напряжения ИТ-12 (в оригинале ĮT-12). Так же нельзя забывать о трансформаторе своих нужд SRT-2 – он запитан от Т-2 10кВ шинного моста.