Никитин К.И. Релейная защита систем электроснабжения. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 2.8. Схема соединения ТТ

в «неполную звезду»

Рисунок 2.9. Схема соединения ТТ

в «треугольник»

Рисунок 2.10. Векторная

диаграмма для вычисления k

СХ

Схема соединения ТТ в «непол-

ную звезду» используется

исключительно в сетях с

изолированной нейтралью U ≤ 35

кВ. Для такой схемы k

СХ

= 1, так как

токи в реле и во вторичной обмотке

ТТ равны. Особенностью схемы

является то, что от двух ТТ можно

получить ток третьей фазы ― I

включив реле КА3 в обратный

провод:

2А

+ I

2С

= ― I

2В

, (2.13)

так как для симметричной

трехфазной сети выполняется

равенство

0III

СBA

=++

&&&

(токами

нулевой последовательности

пренебрегают, потому что при

однофазных замыканиях на землю

они несоизмеримо меньше

рабочих).

Схема соединения ТТ в

«треугольник» (рис. 2.9) обычно

применяется в сетях с U ≥ 110 кВ

для дифференциальной защиты

трансформатора со стороны

высшего напряжения. Коэффициент

такой схемы можно вычислить, по I

закону Кирхгофа, найдя токи в узле

ТТ

фазы А:

0III

C2A2p

=−

&&&

, (2.14)

откуда ток в реле найдем:

C2A2p

III

&&&

−

. (2.15)

Учитывая, что

−−=

согласно векторной диаграмме (рис.

2.10), нетрудно вычислить:

+−

C2A2

IaI

3a1

a1I

=+−=

+−⋅

(2.16)

Рисунок 2.11. Соединение ТТ

на разность фаз

Рисунок 2.12. Фильтр тока нулевой

после

овательности

Схема (рис. 2.11) соединения ТТ на

разность фаз (раннее эту схему

называли «неполный

треугольник» или «восьмерка»)

используется в сетях с изолирован-

ной нейтралью с U ≤ 35 кВ чаще

всего для защиты высоковольтных

электродвигателей, реже для

защиты линий. Для защиты

трансформаторов ее использовать

нельзя. Аналогично, как для схемы

соединения ТТ в

«треугольник», ее

СХ

= . Выводы аналогичны

схеме «треугольника», так для узла

получается выражение (2.14).

Ее достоинство – наличие одно-

го реле, простота. Недостатком

является низкая чувствительность

при витковых замыканиях обмотки

двигателя в фазе В.

Схема фильтра тока нулевой

последовательности показана на

рис. 2.12. Используется в сетях с

заземленной нейтралью с U ≥ 110

кВ для токовой защиты нулевой

последовательности. Так как эта

схема является фильтром, то для

нее нет понятия коэффициента

схемы. Через реле протекает

утроенный ток нулевой по-

следовательности 3I

― доказыва-

ется аналогично схеме «полной

звезды».

Последовательное соединение

ТТ (рис. 2.13) используется для

повышения нагрузочной

способности ТТ. Для этого

использут ТТ с одинаковыми k

. Так как ток, протекающий через ТТ, одинаков, а

напряжение на нагрузке делится на два, то нагрузка на каждый ТТ уменьшается в

два раза. Часто такая схема используется на стороне высокого напряжения транс-

форматора со схемой соединения Y/Δ для его дифференциальной защиты.

Параллельное соединение ТТ (рис. 2.14) используется для уменьшения k

Если ТТ имеют одинаковый k

, то результирующий коэффициент трансформации

будет в два раза меньше.

2.9 Коэффициенты трансформации ТТ

Вторичный ток I

ТТ обычно составляет 5 А или 1 А, лабораторные ТТ могут

иметь также – 2 А и 2,5 А (I

=5 А, 1 А).

Ряд токов [3] первичной обмотки: 1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150;

200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000;

8000; 10000; 12000; 14000; 16000; 18000; 20000; 25000; 30000; 32000; 40000 А.

2.10 Конструкция трансформатора напряжения (ТН)

ТН, аналогично ТТ, состоит из магнитопровода (рис. 2.15), который

Рисунок 2.15. Конструкция ТН Рисунок 2.16. Схема ТН

Рисунок 2.13. Последовательное Рисунок 2.14. Параллельное

соединение ТТ соединение ТТ

Рисунок 2.17.

Векторная диаграмма ТН

набирается из пластин холоднокатанной или горячекатанной электротехнической

стали, толщиной 0,3…0,5 мм, а также первичной w1 и вторичной w2 обмоток, вы-

полненных из алюминиевой или медной проволоки.

Однофазный ТН включается на фазное, а трехфазный на линейные напряже-

ния. Он может иметь одну (со схемой соединения «звезда») или две (

со схемой

«звезда» и «разомкнутый треугольник», рис. 2.16) вторичные обмотки.

Коэффициент трансформации ТН соответствует выражению

k ≈=

. (2.17)

Количество витков w1 больше, чем w2.

ТН подключается параллельно шинам сети

(рис. 2.15) через предохранители F.

Благоприятный режим работы ТН –

холостой ход. В этом режиме

трансформатор имеет минимальную

погрешность. Кроме этого в ТН имеется

угловая погрешность δ (рис. 2.17) и

относительная погрешность напряжения

ΔU%:

%100

1U2Uk

⋅

−

. (2.18)

2.11 Емкостный ТН

В электрических сетях напряжением 110

кВ часто используется емкостный делитель

совместно с электромагнитным ТН, а в сетях

U ≥ 500 кВ электромагнитные ТН не изго-

тавливаются (так как трудно обеспечить

изоляцию). Благодаря емкостному делителю

обмотку w1 выполняют на пониженное на-

пряжение (рис. 2.18), так как большая часть

напряжения распределяется

на емкостях.

Конденсаторы в емкостных трансформа-

торах напряжения используются одновре-

менно в качестве конденсатора связи для

высокочастотных защит, передачи сигналов

дистанционного управления электроэнерге-

тическими объектами.

Рисунок 2.18. Емкостный ТН

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение трансформаторов тока и напряжения?

2. Конструкция трансформатора тока.

3. Принцип действия трансформаторов тока.

4. Векторная диаграмма трансформатора тока.

5. Режим работы трансформатора тока.

6. Активный трансформатор тока.

7. Погрешности трансформаторов тока.

8. Схемы соединений трансформаторов тока и области их использования.

9. Какие токи протекают в реле при различных схемах

соединений вторич-

ных обмоток?

10. Какие конструкции трансформаторов напряжения существуют?

11. Схемы соединений трансформаторов напряжения.

12. Какие величины напряжений подаются на реле от различных вторичных

обмоток ТН?

13. Режим работы трансформатора напряжения.

ЛЕКЦИЯ 3

3.1 Токовые защиты линий электропередачи

Исторически сложилось так, что в связи со сложной реализацией централи-

зованных устройств РЗ на электромеханической базе и отсутствием недорогих ка-

налов связи защиты на каждой электроустановке проектировались автономными.

Этот аспект не только ухудшает их селективность, чувствительность и быстро-

действие, но именно из-за этого защиты

должны резервировать другие участки и

по структуре быть многоступенчатыми.

3.2 Первая ступень токовой защиты

Первую ступень токовой защиты также называют токовой отсечкой (ТО) без

выдержки времени (ВВ). Рассмотрим ЛЭП W1, питающуюся от шин подстанции

А (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Схема для определения тока срабатывания первой ступени ТЗ

Поскольку высшим свойством РЗ является селективность, то с учетом этого

найдем ток срабатывания токовой защиты первой ступени. Прежде всего необ-

ходимо обеспечить, чтобы защита не срабатывала при КЗ в начале следующей

линии, более того, ток срабатывания должен быть с необходимым запасом боль-

ше этого тока:

MAX,1К

А,I

З,С

II > . (3.1)

Необходимый запас обеспечивается коэффициентом отстройки k

ОТС

, тогда

ток срабатывания соответствует выражению

MAX,1КОТС

А,I

З,С

IkI ≥ , (3.2)

где I

I,А

С,З

― ток срабатывания защиты первой ступени на подстанции А; I

К1,МАХ

―

максимальный ток короткого замыкания в точке К1; k

ОТС

― коэффициент от-

стройки (надежности или запаса), включает погрешность ТТ, погрешность реле,

ошибку персонала и некоторые другие факторы; k

ОТС

= 1,2…1,5.

Ток срабатывания защиты I

С,З

― это первичный ток в линии, при котором

происходит отключение Q1. Ток срабатывания реле I

С,Р

― это ток во вторичной

обмотке ТТ, при котором реле подает сигнал на отключение Q1:

З,CСХ

Р,С

I =

, (3.3)

где k

― коэффициент трансформации ТТ. Расчет релейной защиты производят

обычно по первичному току ЛЭП, т.е. находят I

С,З

В соответствии со вторым требованием РЗ необходимо обеспечить быстро-

действие, то есть первая ступень ТЗ должна работать с минимальным временем

срабатывания. С другой стороны, мы не можем сделать

A,I

З,С

= , так как защита

должна быть отстроена от времени работы разрядников, которое равно t

РАЗР

0,06…0,08 с. Однако специальной задержки для первой ступени ТЗ не делают, так

как благодаря собственному времени задержки измерительного токового реле

(например, РТ-40 не более 0,03 с), и промежуточного (например, РП-25 не более

0,06 с) производится естественная отстройка от работы разрядников.

По третьему требованию, предъявляемому к РЗ, защита должна обладать не-

обходимым (в

соответствии с правилами [5]) коэффициентом чувствительности

к наименьшему току КЗ в начале ЛЭП (в точке К2), а именно:

A,I

З,C

MIN,2К

≥= . (3.4)

В соответствии с работой [6], отсечку можно принять в качестве основной за-

щиты, если защищаемая зона составляет более 20% от всей ЛЭП.

3.3 Вторая ступень токовой защиты

Второй ступенью токовой защиты называют токовую отсечку c выдержкой

времени. Чтобы защитить не защищенную первой ступенью часть линии (рис.

3.1), вторая ступень должна быть более чувствительной

, ее зона действия должна

быть больше. Это условие выполняется, когда ток срабатывания второй ступени

(рис. 3.2) больше тока срабатывания первой ступени смежной линии W2:

Б,I

З,С

А,II

З,С

II ≥ . (3.5)

Приравнять неравенство мы сможем, увеличив

A,II

З,С

I с учетом коэффициента

отстройки

Б,I

З,СОТС

A,II

З,С

IkI ≥ . (3.6)

Ток срабатывания реле определяется по формуле (3.3). При выполнении ус-

ловия (3.6) селективность защит для линии W1 и W2 будет обеспечиваться лишь

в том случае, когда рассматриваемая ступень будет иметь небольшую временную

задержку на срабатывание. Время срабатывания второй ступени обычно прини-

мается по формуле

ttt

З,С

+= с, (3.7)

где

t – ступень селективности, обычно

t = 0,5 с для электромеханических реле.

Принимая во внимание, что

З,С

= с выдержка времени второй ступени равна

5,05,00t

З,С

=+= с, причем это время одинаково для вторых ступеней всех линий.

Из рис. 3.2 видно, что зона действия второй ступени защищает участок, не защи-

щенный первой ступенью, а также начало смежной ЛЭП W2.

Рисунок 3.2. Схема для определения тока срабатывания второй ступени ТЗ

Чувствительность второй ступени оценивается коэффициентом чувстви-

тельности:

5,1

А,II

З,С

MIN,.1K

≥= . (3.8)

Часто защиты проектируются без второй ступени, т.е. имеется первая и тре-

тья ступени.

3.4 Третья ступень токовой защиты ― максимальная токовая защита

(МТЗ). МТЗ ― самая чувствительная ступень из токовых защит, поэтому она

должна быть:

― во-первых, отстроена от максимального тока нагрузки (I

Р,МАХ

МАХ,Р

А,III

З,С

II > , (3.9)

где I

Р,МАХ

– максимальный рабочий ток линии, который в соответствии с рис. 3.3

может быть найден по формуле

МАХ,Р

2S1S

. (3.10)

Учитывая коэффициент отстройки (3.8), можно переписать

МАХ,РОТС

А,III

З,С

IkI ≥ , (3.11)

где k

ОТС

― коэффициент отстройки; k

ОТС

= 1,2…1,5;

― во-вторых, отстроена от токов самозапуска нагрузки S1 и S2 (рис. 3.3) по-

сле КЗ в точке К1 (рис. 3.4,а). При отключении основной защитой КЗ и спустя

время t

АПВ

, успешном включении выключателя Q1 от АПВ произойдет самозапуск

нагрузки S1 и S2, тогда ток срабатывания защиты:

CЗПОТС

А,III

З,С

IkI ≥ .

Рисунок 3.3. Расчетная схема

Учитывая, что

MAX,РCЗПCЗП

IkI

⋅

СЗП

– коэффициент самозапуска,

СЗП

= 1 – 7; при отсутствии двигательной нагрузки k

СЗП

= 1, при наличии только

двигательной нагрузки k

СЗП

= k

= 5…7, k

– коэффициент пуска двигателя), за-

пишем:

MAX,РCЗПОТС

А,III

З,С

IkkI ≥ ; (3.12)

а) б)

Рисунок 3.4. Изменения тока при аварийных режимах

― в третьих, отстроена от токов самозапуска нагрузки S1 и S2 (рис. 3.3) при

отключении КЗ в точке К2 (рис. 3.4,б), тогда

CЗПОТС

А,III

З,В

IkI ⋅≥ (I

ВЗ

― ток воз-

врата защиты, k

― коэффициент возврата реле,

З,C

З,В

k =

), учитывая, что

MAX,РCЗПCЗП

IkI = , запишем

MAX,РCЗПОТС

А,III

З,СВ

IkkIk ≥ или перепишем для

А,III

З,С

I :

MAX,Р

CЗПОТС

А,III

З,С

I ⋅≥

; (3.13)

― в четвертых, согласована с третьей ступенью смежной линии (рис. 3.3):

Б,III

З,СОТС

А,III

З,С

IkI ≥ . (3.14)

Из четырех возможных вариантов выбирают

А,III

З,С

с наибольшим расчетным

значением тока. Обычно формула (3.13) является определяющей. Ток срабатыва-

ния реле определяется по формуле (3.3).

Время срабатывания третьей ступени должно быть больше времени сраба-

тывания третьей ступени смежной линии:

ttt

Б,III

З,С

А,III

З,С

+≥

, (3.15)

где

А,III

З,С

t ― время срабатывания третьей ступени защиты (рис. 3.3) подстан-

ции А;

Б,III

З,С

t ― время срабатывания третьей ступени защиты подстанции Б;

t –

ступень селективности, обычно

t = 0,5 с. В общем случае время третьей ступени

записывается:

ttt

1n,III

З,С

n,III

З,С

+≥

−

. (3.16)

Чувствительность защиты оценивается для зоны ближнего резервирования

(для линии, на которой она установлена):

А,III

З,C

MIN,1К

≥=

(3.17)

и для зоны дальнего резервирования (для смежной линии):

2,1

А,III

З,C

MIN,3К

≥=

. (3.18)

3.5 Карта селективности

Если ток срабатывания, быстроту срабатывания и чувствительность можно

оценить количественно, то для оценки селективности количественного критерия

нет. Чтобы сравнить между собой защиты по селективности действия чертится

карта селективности (рис. 3.5). Действия защит селективны, если их характери-

стики не пересекаются.

Область применения. Токовые защиты используются в основном

для защи-

ты линий электропередачи напряжением 6–35 кВ, реже 110 кВ с односторонним

питанием. Они чувствительны ко всем многофазным КЗ.