Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

Вопросы для самопроверки

Доказать, что схема включения реле на сумму токов трех

фаз представляет собой фильтр токов нулевой последователь-

ности.

К чему может привести неправильная полярность одного

трансформатора тока в схеме включения реле на сумму токов

трех фаз ?

Почему к трансформаторам тока предъявляются высокие

требования со стороны РЗ ?

Каково назначение четвертого обратного (нулевого) про-

вода в схеме полной звезды ?

В каких случаях применяются схемы включения реле на

разность токов двух фаз ?

6. В чем преимущество комбинированной схемы (неполная

звезда и ФТНП) по сравнению со схемой полной звезды ?

Глава четвертая

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА

4.1.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ

Одним из признаков возникновения КЗ является увеличе-

ние тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения

РЗ,

называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие

при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значе-

ния. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, слу-

жат максимальные токовые реле (см. гл. 2).

Токовые РЗ подразделяются на максимальные то-

ковые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между

этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности.

Селективность действия максимальных токовых РЗ дости-

гается с помощью выдержки времени. Селективность токовых

отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока сра-

батывания [10, 26].

181

4.2.

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ЛЭП

Принцип действия и селективности защиты. Максимальные

токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для се-

тей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале

каждой ЛЭП со стороны источника питания (рис. 4.1, а). Каж-

дая 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

(рис.

4.1,

а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположен-

ным 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 обес-

печения указанной селективности МТЗ выполняются с выдерж-

ками времени, нарастающими от потребителей к источнику

питания, как это показано на рис.

4.1,

б. При соблюдении это-

го принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает

Рис.

4.1. Максимальные токовые РЗ

в радиальной сети с односторонним

питанием:

—

размещение МТЗ; 6

—

выдержки

времени МТЗ, выбранные по ступен-

чатому принципу; в — характеристи-

ки зависимости выдержки времени

от тока цепи в реле МТЗ; г — схема

сети, поясняющая работу РЗ; 1 — не-

зависимая; 2

—

зависимая; 3 — ограни-

ченно зависимая; АБ — зависимая и

БВ — независимая части характерис-

тики

в)

182

МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты

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, име-

ющие большее время, не успеют подействовать.

Разновидности максимальной токовой защиты. Максималь-

ные токовые защиты выполняются на электромеханических

и статических реле прямого и косвенного действия (см. § 1.8)

по трех- и двухфазным схемам (см.

3.5). По способу питания

оперативных цепей МТЗ косвенного действия делятся на РЗ

с постоянным и переменным оперативным током. По характе-

ру зависимости времени действия от тока МТЗ подразделяют-

ся на РЗ с независимой и зависимой характеристиками

(рис.

4.1, в).

4.3.

СХЕМЫ МТЗ НА ПОСТОЯННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ

Структурная схема. На рис. 4.2 приведена структурная схема

трехфазной МТЗ с независимой от тока выдержкой времени,

характеризующая общие принципы выполнения МТЗ при лю-

бой используемой элементной базе.

Измерительная часть МТЗ 1 состоит из измерительных

органов ИО (в данном случае токовых реле КА мгновенного

действия). В трехфазной схеме ИО предусматриваются на

каждой фазе, они питаются вторичными токами соответству-

ющих фаз ТТ, соединенных по схеме звезды.

Логическая часть 2 состоит из логического элемента

(ЛЭ),

выполняющего функцию ИЛИ (ОМ), органа времени

—Г" УАТ 5й

Рис.

4.2.

Структурная схема трехфазной МТЗ

183

КТ (обычно одного на три фазы), создающего выдержку вре-

мени I, сигнального реле КН.

Исполнительный орган 3, выполняемый посредством

выходного промежуточного реле КЬ, или тиристорной схемы,

срабатывая, передает команду на отключение выключате-

ля (}. Исполнительный орган должен обладать мощным выход-

ным сигналом, достаточным для приведения в действие элект-

ромагнита отключения (ЭО) УАТ привода выключателя.

При возникновении повреждения на защищаемой линии

срабатывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток

КЗ.

При этом у электромеханических реле замыкаются кон-

такты, у статических - появляется выходное напряжение

(сигнал) соответствующего уровня (логическая 1 или логиче-

ский 0).

Сработавшие ИО воздействуют через логический элемент

ИЛИ на орган времени КТ, который по истечении заданной

выдержки времени выдает сигнал, приводящий в действие

исполнительный орган КЬ. Последний срабатывает и подает

напряжение от источника оперативного тока в электромагнит

отключения выключателя УАТ. После отключения повреж-

дения ток короткого замыкания прекращается, измеритель-

ные органы и все элементы РЗ возвращаются в исходное со-

стояние. Для успешного размыкания тока, проходящего по

ЭО (УАТ), контактами промежуточного реле КЬ после отклю-

чения КЗ в цепи отключения на приводе выключателя преду-

сматривается блокировочный вспомогательный контакт (БК)

5(2.

При включенном выключателе 5(2 замкнут (рис. 4.3, бив)

и размыкается при отключении выключателя (2, разрывая

цепь тока электромагнита отключения УАТ.

В схеме с выходным промежуточным реле размыкание цепи

тока, питающего электромагнит отключения с помощью 5(2,

необходимо, поскольку контакты промежуточного реле КЬ

не рассчитываются на разрыв относительно большого тока

электромагнита отключения УАТ. При тиристорной схеме от-

ключения выключателя, для прекращения тока в цепи УАТ,

также необходимо использовать БК, так как тиристор не мо-

жет закрыться сам при исчезновении открывшего его сигнала.

Время действия рассмотренной МТЗ определяется выдерж-

кой времени, установленной на реле времени КТ, и не зави-

сит от значения тока КЗ, поэтому такая РЗ называется защи-

184

той с независимой выдержкой времени и имеет характеристи-

ку I

=/(1

)

в виде прямой линии

на рис. 4.1, е.

Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном

токе. Схемы на электромеханических реле. На рис. 4.3 приведе-

на трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханиче-

ских реле, которые пока еще преобладают в электрических

сетях нашей страны. Построение схемы и все ее элементы со-

ответствуют структурной схеме (см. рис. 4.2). Три измеритель-

ных органа (рис.

4.3,

а) выполняются с помощью трех реле

РТ-40,

орган времени - с помощью реле типа РВ-100, исполни-

тельный элемент - посредством промежуточного реле типов

РП-20,

РП-16 или других промежуточных реле, контакты кото-

рых рассчитаны на ток электромагнита отключения выключа-

теля. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита дей-

ствует при всех видах КЗ. В случае недостаточного значения

тока при К* в нулевой провод включается реле КА

(на схе-

ме оно не показано), чувствительность которого выше, чем у

реле КАф в фазах, так как КА

не надо отстраивать от /

нагртах

Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание опе-

ративных цепей защиты осуществляется постоянным током

с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электро-

магнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфаз-

ные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными

нейтралями (в России это сети ПОкВ и выше).

ЛВС

Ш.

ХАЛ НАВ К АС

а.)

КАВ

I г—-

АС

л и

КП ХЬ

-н:—

РИС.

4.3.

Принципиальная схема трехфазной МТЗ:

—

токовые цепи; б — оперативные цепи защиты с

независимой характеристикой; в

—

оперативные цепи за-

щиты

зависимой характеристикой

КАА

КАВ !

ХЛС

5 а УАТ

в)

185

Схемы на интегральных микроэлементах. На рис. 4.4 в ка-

честве примера приведена принципиальная схема трехфазной

МТЗ (одна из возможных), построенная на ИМС. Рассматрива-

ется вариант трехфазной схемы в односистемном исполнении,

при котором вместо трех ИО тока (реле тока) устанавливается

один орган, реагирующий на все виды КЗ. Такое исполнение

защиты уменьшает количество измерительных реле, что упро-

щает схему. Как уже отмечалось в §2.14, полупроводниковый

ИО тока (реле тока) имеет три узла: входной узел (ВУ), преоб-

разующий входной сигнал; узел сравнения (УС), сравнивающий

его с заданной величиной (уставкой срабатывания); узел вы-

хода (УВ), формирующий выходной сигнал ИО достаточного

уровня, воздействующий на элементы логической части за-

щиты.

Входной узел получает сигналы в виде синусоидальных

мгновенных значений токов трех фаз (д, 1

, |'с от измеритель-

ных ТТ защищаемого объекта. Эти токи промышленной часто-

ты с помощью трех промежуточных ТТ

ЬТА

, ЬТА

пре-

образуются в токи заданного уровня и поступают соответствен-

но на вход выпрямительных мостов У5

, У5

, которые

превращают переменный ток ПТТ в выпрямленный ток постоян-

ного знака. Чтобы обеспечить действие реле тока односи-

стемной МТЗ при всех видах КЗ, выходы трех выпрямительных

мостов соединяются между собой последовательно (рис. 4.4, а),

образуя общую цепь выпрямленного тока, замкнутую на вы-

ходной резистор

ъых

При таком исполнении схема входного

блока работает как максиселектор. На выходном резисторе

схемы (Кв

ЫХ

) выделяется один выходной сигнал ВУ в виде на-

пряжения (и

^вых

тах^вых)>

соответс

твующий наибольше-

му из мгновенных токов фаз, поступающих на вход узла. Мгно-

венное значение выпрямленного тока

ВЫХ

тах

, протекающего

по #

вых

, определяется входным током ^

и ему пропорциональ-

но.

В качестве примера проследим, как проходит ток по вы-

ходной цепи выпрямителей УБ

, У5

, УЗ

при трехфазном КЗ.

Допустим, что в данный момент из трех входных мгновенных

токов большим является ток положительной полуволны 1

В этом случае мост будет работать в режиме N (два диода от-

крыты положительным током, два других заперты), а четыре

диода каждого моста с меньшими токами У5

и У5

под дей-

ствием большего выпрямленного тока ОУЗА) будут открыты

(работают в режиме А). С учетом этого выпрямленный ток

186

%1Х/1/

Я!

ТИП 1^4= П

игл

{}

^т=

На отключение

Рис.

4.4. Принципиальная схема МТЗ на ИМС:

—

схема ИО тока; б

—

логическая схема

1у5А>

проходя через свой выпрямитель, открывает диоды мос-

тов У5

и У8

, замыкается через них, через резистор #

вых

возвращается в У5

. При этом меньшие токи замыкаются по

открытым диодам своих мостов, не выходя за их пределы, а

на зажимах #

вых

появляется напряжение "к

вых

= 'У5А^вых>

которое поступает на узел сравнения.

Узел сравнения

И О

на рис. 4.4, а построен на время-

импульсном принципе

. Устройство и принцип работы подоб-

ных ИО рассмотрены в гл. 2, поэтому ниже дается краткое опи-

сание работы в схеме МТЗ. В состав узла сравнения, выполня-

емого по указанному принципу, входят:

пороговое

устройство

А1, построенное на ОУ с постоянным

опорным напряжением положительного знака (7

оп

на Н-входе

усилителя;

времясравнивающая цепочка, образованная резисторами

К5-К6, конденсатором С1 и двухсторонним стабилизатором

УШ;

второе пороговое

устройство

А2, выполненное по схеме триг-

гера на ОУ с положительной обратной связью (1^ос = ^в)>

п0

ступающей на Н-вход по резистору К9. Работа триггера опреде-

ляется значением и знаком напряжения на инвертирующем

входе, поступающем с конденсатора

С1(1!с1

)•

Работа схемы. В нормальном режиме, когда по защищаемому

объекту проходят токи нагрузки, мгновенное значение выпрям-

ленного напряжения (ц

), поступающего с выходного узла УВ

на И-вход А1, меньше С/

оп

д^ При этом входное напряжение А1

(и -

отп

)

имеет отрицательную полярность, поэтому на выхо-

де

А 2

устанавливается напряжение ^

ыхЛЬ положительное

по знаку (противоположное знаку входного сигнала) и наиболь-

шее по значению 12-13 В (при Е

= ± 15 В), поскольку при от-

сутствии обратной связи ОУ работает в насыщенной части вы-

ходной характеристики (см. гл. 2). Под действием этого на-

пряжения через резистор К5 происходит заряд конденсатора

Согласно этому принципу ИО тока срабатывает при условии, что сигнал,

поступающий на вход УС (ид ), превышает 1/

оп

в течение времени (

~~2 —

'н> где <п

—

время превышения; Т

—

период тока (50 Гц); (

—

время, в те-

чение которого ид < ^оп- Время {

обеспечивает отстройку от импульсных

помех высокой частоты.

188

С1 до наибольшего положительного напряжения + Ц

С1

, ограни-

ченного стабилитроном У08. При положительном напряжении

на И-входе А2 его выходное напряжение имеет отрицательное

наибольшее для ОУ значение. В этом режиме орган тока не ра-

ботает, так как при отрицательном напряжении диод УИ5 от-

крыт и транзистор УТ1 выходного узла заперт и сигнал на пуск

логической схемы (рис. 4.4, 6") отсутствует (элемент времени КТ

и реле КЬ).

При КЗ в

сети

защищаемого объекта мгновенное выпрямлен-

ное напряжение и

становится больше

0П

А1

на

время,

пока и >

опА

напряжение на входе ОУ (и

опУ

и)

изме-

няет свой знак (с "-" на

" + ")>

А1 переключается и на его вы-

ходе появляется максимальное напряжение отрицательного

знака (-^выхд^- Под действием напряжения отрицательного

знака конденсатор С1 по резисторам К5 и Кб (диод УО закрыт)

перезаряжается, напряжение 17^ уменьшается, и после про-

хождения через нулевое значение

С1

становится отрицатель-

ным и начинает увеличиваться по абсолютному значению.

Через некоторое (заданное) время Г

напряжение на конденса-

торе будет - и

1, а следовательно, и на И-входе А2 достигнет

уровня, при котором А2 переключится и на его выходе появит-

ся максимальное положительное напряжение СвыхЛ2-

Под действием этого напряжения диод УБ5 выходного узла

запирается, тогда на базе УТ1 появляется положительный

сигнал - транзистор Т1 открывается, и выходной узел ИО МТЗ

передает на логическую схему команду на срабатывание.

Элемент времени КТ (рис. 4.4, б) срабатывает с заданной вы-

держкой времени, промежуточное реле КЬ2 замыкает контак-

ты и посылает импульс на отключение выключателя защи-

щаемого объекта. После отключения КЗ входной ток, а следо-

вательно, и напряжение ия

вых

снижаются и становятся мень-

ше опорного напряжения А1 - ИО тока и логические элементы

МТЗ возвращаются в исходное состояние.

В качестве ИО используется реле тока типа РСТ-13 или реле

типа ТОП1, входящее в комплект устройств ЯРЭ-2201, пред-

назначенных для выполнения РЗ в КРУ 6-10 кВ. Для создания

выдержки времени в рассматриваемой схеме могут использо-

ваться статическое реле времени из комплекта ЯРЭ-2201 ти-

па ВО200 с регулировкой времени от 0,2 до 12 с или реле РВ-01

189

с регулировкой времени от 0,1 до 10 с. В качестве промежуточ-

ных реле применяются малогабаритные реле типа РП-13 и

реле с магнитоуправляемыми контактами типа РПГ-5.

Защита с зависимой характеристикой. Наряду с независимой

применяется МТЗ с зависимой и ограниченно зависимой ха-

рактеристиками (кривые 2 и 3 на рис.

4.1,

в). Оба вида зависи-

мых МТЗ выполняются при помощи токовых реле, работающих

не мгновенно, а с выдержкой времени, зависящей от значения

тока. В схеме зависимой МТЗ на рис. 4.2, г, кроме реле времени,

отсутствуют промежуточное и указательное реле, так как ре-

ле типов РТ-80 и РТ-90 имеют контакты достаточной мощности

и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле.

Статические ИО тока использованы в МТЗ с зависимой харак-

теристикой в устройстве типа ЯРЭ-2201, выпускаемом ЧЭАЗ.

В отличие от РЗ с независимой характеристикой (прямая 1

на рис.

4.1,

в) МТЗ с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3)

действуют при токах 1

= (1 -

2)1

с-3

со значительно большей вы-

держкой времени, чем при КЗ, что улучшает отстройку РЗ

от кратковременных перегрузок (7

Защиты с зависимой характеристикой позволяют также уско-

рить отключение при повреждении в начале ЛЭП (точка К1

на рис.

4.1,

г). Однако согласование выдержек времени неза-

висимых МТЗ значительно проще (см.

4.5).

Трехфазные схемы МТЗ, приведенные на рис. 4.3, в, г, реаги-

руют на все виды КЗ, включая и однофазные, и поэтому их

можно применять в сети с глухозаземленной нейтралью, где

возможны как междуфазные, так и однофазные КЗ.

Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе.

В случае, когда МТЗ должна действовать только при между-

фазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или од-

ним токовым реле.

Двухрелейная схема с независимой характеристикой

(рис.

4.5,

а,

б). Токовые цепи МТЗ выполняются по схеме непол-

ной звезды (см. §3.6). Достоинством двухрелейной схемы яв-

ляется то, что она, реагируя на все междуфазные КЗ, экономич-

нее трехфазной схемы (два ТТ и реле вместо трех).

К недостаткам двухфазной схемы с двумя реле нужно от-

нести ее меньшую чувствительность (по сравнению с трехфаз-

ной схемой) при двухфазных КЗ за трансформатором с соедине-

нием обмоток "г/д (см. рис. 3.18). При необходимости чувстви-

тельность двухфазной схемы можно повысить, установив третье

190