Максимальная токовая защита 1 СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ

Максимальная токовая защита

1. СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ Основными органами токовых защит являются измерительные максимальные реле тока. До последнего времени они выполнялись на электромагнитном или индукционном принципе. В настоящее время начинают применяться и полупроводниковые их исполнения.

На рис. 1, а приведена условно показанная для одной фазы схема выполнения защиты с вторичным электромагнитным реле тока Р прямого действия, непосредственно воздействующим на выключатель В. При превышении током линии заранее установленного значения стальной сердечник 1 реле втягивается в катушку 2, боек 3 ударяет в запорную защелку 4 отключающего механизма и выключатель под действием пружины 5 отключается.

Рис. 1. Способы выполнения токовой защиты. а с вторичным реле тока прямого действия, б с первичным реле тока прямого дей ствия; в с вторичным реле тока косвенного действия.

Ток в линии исчезает и реле возвращается в исходное состояние. Реле прямого действия выполняются также первичными, включенными непосредственно в провода защищаемой линии (рис. 1, б). Защиты с этими реле не требуют трансформаторов тока. При срабатывании защиты сердечник 1 реле, втягиваясь в катушку 2, действует на запорную защелку 4 и выключатель отключается.

Достоинствами защит с реле прямого действия являются экономичность и простота, определяемые тем, что не требуется источник оперативного тока. Их недостатками являются трудность, и даже невозможность проверки и регулировки под напряжением, иногда невысокая точность и значительная потребляемая мощность, необходимая для расцепления отключающего механизма

Защиты с первичными реле прямого действия используются, как правило, в установках напряжением менее 1000 В. Защиты с вторичными реле прямого действия могут иметь широкое применение и в сетях более высокого напряжения при выключателях с пружинными приводами.

На рис. 1, в приведена схема защиты с вторичным электромагнитным реле косвенного действия, исполнительный орган которого контакт 6 управляет цепью вспомогательного ис точника оперативного тока, используемого для питания катушки отключения 7 привода выключателя

При срабатывании защиты реле контактом 6 замыкает цепь оперативного тока и по катушке 7 начинает проходить ток. Ударник 3 привода действует на его защелку 4, и выключатель отключается. При этом цепь оперативного тока разрывается достаточно мощным вспомогательным контактом 8 привода до того, как начнет размыкаться контакт 6.

Это предотвращает его обгорание под действием электрической дуги, возникающей при размыкании цепи. Контакт 8 оказывается лишним в схемах с оперативным током, получаемым от ТТ защищаемой линии, так как этот ток исчезает при отключении выключателя.

На рис. 2 с использованием обозначений, данных в ГОСТ , приведены условно показанные для одной фазы схемы максимальной токовой защиты с вторичными реле косвенного действия (а с зависимыми, б независимыми характеристиками). Защита с независимой характеристикой выполняется при помощи реле тока без выдержки времени и отдельного реле времени.

В трехфазной схеме это реле является общим для всех реле тока, включенных на токи фаз. Указание о срабатывании защиты производится в первой схеме встроенным внутрь реле указателем срабатывания, а во второй — отдельным указательным реле, включенным последовательно в цепь катушки отключения выключателя.

Вторичные реле косвенного действия устанавливаются отдельно от выключателя. Поэтому их можно проверять и регулировать без нарушения работы защищаемого элемента. Эти измерительные реле могут выполняться весьма точными и чувствительными, с малым потреблением мощности.

Рис. 2. Схемы максимальной токовой защиты с вторичным реле косвенного действия. а защита с зависимой характеристикой; б защита с независимой характеристикой.

Так как они при срабатывании совершают незначительную работу, управляя цепью катушки отключения или иногда только логическим реле (времени, промежуточным), еще более облегчающим работу измерительного реле. Будучи включенным через ТТ, они изолированы от первичной цепи высокого напряжения и подвергаются относительно небольшим термическим и динамичес ким воздействиям токов к. з. Использование реле косвенного действия облегчает также выполнение защит, состоящих из нескольких совместно работающих реле.

Недостатком защит с реле косвенного действия по сравнению с использующими реле прямого действия является, в частности, необходимость иметь отдельный источник оперативного тока. Токовые защиты с реле косвенного действия имеют широкое распространение. В распределительных сетях напряжением до 10 35 к. В они часто выполняются на оперативном токе, получаемом от ТТ защищаемой линии.

2. ВЫДЕРЖКА ВРЕМЕНИ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ И ЕЕ СТУПЕНЬ Выдержка времени. Выдержки времени рассматриваемых защит выбираются по ступенчатому принципу, согласно которому каждая последующая по направлению к источнику питания защита должна иметь в расчетных точках выдержку времени, большую максимальной выдержки времени предыдущих защит на величину Δt, называемую ступенью выдержки времени

Выбор выдержек времени t всегда начинается с защит элементов, наиболее удаленных от источника питания, т. е. с защит 1' и 1" на подстанции В. В общем случае эти защиты уже имеют определенные характеристики, обеспечивающие их селективность несрабатывания при к. з. в питаемых от подстанции В потребителях. Порядок выбора t несколько различается для защит с независимыми и зависимыми характеристиками.

При независимых характеристиках (рис. 3, а) защиты1' и 1" имеют определенные выдержки времени t'1 и t"1. Выдержка времени t'2 последующей защиты на подстанции Б выбирается на ступень Δt больше максимальной выдержки времени защит подстанции В. Если t'1 > t"1, то t'2= t'1+ Δt. Аналогично, если, например, t"2 > t'2 выдержка времени защиты 3 на подстанции A t 3 = t"2 + Δt.

В общем случае для n й защиты: (1) зависимая характеристика n й защиты участка АБ (рис. 3, б) должна иметь выдержку времени tn на ступень Δt больше времени предыдущей (n 1) й защиты на подстанции Б при к. з. в расчетной точке начале участка БВ, за ТТ его защиты (т. е. при максимально возможном токе I'к. з. внешнего к. з. ).

По найденному tn, соответствующему однозначно по имеющемуся семейству характеристик используемого реле выбирают характеристику n й защиты и получают выдержки времени для других мест и токов к. з.

По мере приближения к источнику питания токи к. з. увеличиваются. Поэтому при к. з. , близких к подстанции А (I"к. з. > I'к. з), время срабатывания ее защиты в некоторых случаях может быть не большим, чем время защиты линии БВ. Необходимо, однако, отметить, что при больших кратностях тока и зависимых характеристиках при к. з. в расчетной точке и может оказаться невозможным создание необходимой разности

Это ограничивает возможности использования защит с. зависимыми характеристиками. Применение в этих условиях защит с ограниченно зависимыми характеристиками всегда обеспечит требуемую селективность несрабатывания при внешних к. з. При этом выдержки времени защит часто выбираются, как при независимых характеристиках. Однако тогда будет потеряно преимущество снижения времени отключения к. з. вблизи места включения защиты.

В отечественной практике преимущественно используются максимальные токовые защиты с независимыми и ограниченно зависимыми характеристиками. Применение последних, а также защит с зависимыми характеристиками может оказаться удобным на линиях, питающих потребителей, защищаемых плавкими предохранителями, также имеющими зависимые характеристики.

Ступень выдержки времени. При выборе ступени At учитываются следующие требования: ступень должна быть минимально допустимой для уменьшения уровня выдержек времени защит системы;

Рис. 3. Согласование характеристик выдержек времени максимальных токовых защит. а независимых; б зависимых

Ступень должна быть такой, чтобы повреждение на предыдущем (n 1) м участке отключалось ранее, чем сработает защита последующего n го участка. Учитывая это, ступень часто выбирают по выражению: (2)

В это выражение входят: время действия tв(n 1) выключателя предыдущего (n 1) го участка (время от подачи сигнала на отключение до разрыва тока к. з. ), сумма абсолютных значений максимальной положительной погрешности tп(n 1) предыдущей защиты, которая затягивает отключение, и максимальной отрицательной погрешности tпn данной n й защиты, которая может привести к преждевременному излишнему ее срабатыванию.

Время tиn инерционной ошибки данной защиты, учитывающее возможность действия реле этой защиты уже после отключения внешнего к. з. , и некоторый запас tзап. Время действия выключателей колеблется в широких пределах: примерно 0, 02 0, 3 с.

Максимальные погрешности вторичных защит с независимыми характеристиками обычно не превосходят ± 0, 05 0, 1 с, с учетом половины гарантируемого заводами времени разброса tразб. Инерционные ошибки для этих защит близки к нулю. Поэтому Δt для указанных защит не должна превышать 0, 2 0, 6 с. При использовании менее точных реле, а также защит с зависимыми характеристиками Δt иногда достигает 0, 8 1 с.

3. ТОК СРАБАТЫВАНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ Ток срабатывания Iс. з. должен быть больше максимального рабочего тока Iраб. макс. защищаемой линии. Однако, как правило, выбор Iс. з. определяется более тяжелыми условиями.

Для определения Iс. з. , например, защиты 3', установленной на участке АБ, рассматривается ее поведение в двух основных случаях: при к. з. на предыдущем участке БВ; при к. з. на данном участке, его отключении и последующем АПВ.

В первом случае при правильном функционировании защит отключается поврежденный участок БВ. Защита 3' имеющая большую выдержку времени, срабатывать не успевает и должна возвратиться в свое исходное состояние.

Это, однако, произойдет только в том случае, если ток возврата защиты Iв. з. будет больше расчетного тока запуска Iз. расч. (рис. 4, а), проходящего теперь по участку АБ к потребителям подстанции Б. Обозначая ток возврата для рассмат риваемого симметричного режима через I(3)в. з. и принимая с запасом Iз. расч = I'з. макс, получаем условие в виде I(3)в. з > I'з. макс

Рис. 4. Токи в защите. а — при внешнем к. з. ; б — при внутреннем к. з. и АПВ.

При определении I'з. макс следует учитывать, что линия БВ могла передавать малую мощность, а электродвигатели нагрузки, питаемой через шины подстанции Б, в результате снижения напряжения при к. з. сильно затормозились, и ток в тех из них, которые остались включенными при восстановлении напряжения (после отключения к. з. ) временно значительно увеличился.

Поэтому I'з. макс часто оказывается значительно большим Iраб. макс Вводя коэффициент запуска к'3, учитывающий как токи запуска, так и отключение нагрузки подстанции В, получаем: I'з. макс = к'3 * Iраб. макс Погрешность защиты по току возврата, неточность расчета и пр. учитываются коэффициентом отстройки котс> 1.

Исходя из условия обеспечения возврата защиты 3', с учетом изложенного получаем: С учетом выражений для I(3)в. з и кв. (3)

Во втором случае, после отключения защищаемого участка А Б, ток в защите 3' исчезает (рис. 4, б) и она возвращается в начальное состояние. После АПВ в защите появляется ток, равный току запуска 11 оставшихся включенными потребителей, питаемых через шины подстанции Б.

Выражая этот ток через Iраб. макс линии АБ и коэффициент запуска к"3, получаем выражение для отстройки от него в виде: (4)

Ток Iс. з. выбирается большим из значений по выражениям (3) и (4). При этом учитывается, что к"3 может быть больше к', а также то, что в конкретных условиях защищаемой сети могут быть и некоторые другие расчетные режимы, например подключение к шинам приемной подстанции Б посредством устройства автоматического включения резерва (АВР) других потребителей, лишившихся питания.

С другой стороны, для первых защит в системе (защит токоприемников) должно использоваться только выражение (4), относимое и к случаям включения токоприемника в работу. Ток Iс. р с учетом (2 2) и, например, (3) (5)

При использовании (3) и (4) необходимо иметь в виду следующее: в сетях с большой долей нагрузки, определяемой асинхронными двигателями, не отключаемыми в случаях кратковременных пони жений напряжения при к. з. , коэффициенты запуска к' и к"3 могут быть много большими 1 (до 2— 5); в конкретных случаях их необходимо определять с учетом отмеченных выше факторов;

защиты по чувствительности, точнее говоря, по токам срабатывания, принято (если это не приводит к недопустимому снижению чувствительности) согласовывать таким образом, чтобы обеспечивалось Icзn> Icз(n 1).

Это требование применительно к максимальным токовым защитам обычно выполняется автоматически, так как участки сети по мере приближения к источнику питания имеют все большие Iраб. макс. При отсутствии указанного согласования и, например, к. з. на (n 2) м участке с отказом выключателя этого участка могла бы излишне сработать защита n го, а не (n 1) го участка.

Использование защит с зависимыми и ограниченно зависимыми характеристиками часто дает возможность снижать их токи срабатывания за счет учета меньших коэффициентов запуска к 3. Это объясняется тем, что прохождение больших токов запуска в неповрежденных линиях прекращается ранее, чем успевают сработать их защиты, имеющие при Iз ≈ Iс. з. большие выдержки времени.

К недостаткам рассматриваемого варианта защит относятся: увеличение времени отключения к. з. при малых Iк. з. , например, при повреждениях через значительные переходные сопротивления или при минимальных режимах работы, а также относительная сложность согласования характеристик и необходимость следить за сохранением согласованности при изменениях сети и ее режимов работы.

Использованный детерминистический подход к определению I(3)с. з и Iс. р. может в некоторых случаях обусловливать необоснованное загрубление защиты. Однако по причинам, изложенным выше, он пока широко используется для выбора параметров как максимальных токовых защит, так и других, рассматриваемых далее. Вероятностный же подход в некоторой мере учитывается выбором коэффициентов запуска к 3 и отстройки котс, определяемых с учетом «экспертных оценок» .

4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ Защита, как имеющая относительную селективность, должна обеспечивать: как основная — отключение к. з. в пределах всей длины участка и как резервная — отключение к. з. на смежных элементах при отказе их защит или выключателей.

При этом должны учитываться минимальные режимы работы системы, наличие переходных сопротивлений в месте повреждения, влияние токов нагрузки, если они не учитываются при определении токов к. з. , точность исходных данных, расчетов и работы самой защиты.

При возможности учета всех этих данных к чувствительности защиты можно было бы предъявить требование срабатывания без каких либо существенных коэффициентов запаса. Практически это выполнить затруднительно. Поэтому для оценки чувствительности обычно используется коэффициент чувствительности и детерминистический подход к его определению.

Чувствительность максимальной токовой защиты характеризуется коэффициентом чувствительности, обычно определяемым как отношение минимального тока в измерительном реле Iр. мин (учитывается минимальный, но реальный режим работы системы) при металлическом к. з. в конце защищаемой зоны к току Iс. р. срабатывания реле: (6)

Расчетным является вид к. з. , обусловливающий наименьший кч. Для обеспечения срабатывания защиты при повреждениях через переходные сопротивления rп минимально допустимыми значениями при к. з. в конце защищаемого участка и на шинах противоположной подстанции считаются кч мин =1, 5, а в конце смежного элемента желательно иметь его не меньшим 1, 2.

При кч мин, меньшем указанных значений, следует рассмотреть возможность использования других схем включения реле тока, если они могут обеспечить большую чувствительность защиты. Если это мероприятие не дает положительных результатов, возникает необходимость применения других, более чувствительных защит (например, дистанционных).

Коэффициент чувствительности защиты может определяться также через токи в защите:

Учитывая, однако, возможную зависимость I(m)с. з от вида к. з. , этим выражением пользуются относительно редко. Для сравнительной оценки чувствительности данной схемы защиты при различных видах к. з. и различных схем иногда используется относительный коэффициент чувствительности кч отн.

Относительный коэффициент чувствительности определяется при условии равенства первичных токов при разных видах к. з. (I(3)к. з = I(2)к. з = …). При m м виде к. з. кч отн равен отношению коэффициента чувствительности при этом виде к. з. к(m)ч

к коэффициенту чувствительности к(3)ч при трехфазном к. з. : где I(m)р и I(3)р — токи в реле при данном виде повреждения и трех фазном к. з. в предположении одинакового первичного тока к. з. , а к(m)сх и к(3)сх — соответствующие им коэффициенты схемы.

5. ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ Определение области применения защит производится с учетом выполнения ими ряда требований. Селективность срабатывания при внутренних к. з. оценивается защитоспособностью и быстротой срабатывания

Защитоспособность. Срабатывание защиты может обеспечиваться при всех внутренних учитываемых к. з. (на всей длине защищаемого участка и на смежных элементах при отказе их защит или выключателей).

Быстрота срабатывания. Защита имеет выдержки времени тем большие, чем ближе она включена к источнику питания. На головных участках сети, где быстрое отключение к. з. особенно важно, она работает более медленно.

Селективность несрабатывания при внешних к. з. в сетях радиальной конфигурации с односторонним питанием обеспечивается выбором выдержек времени по ступенчатому принципу с увеличением их по направлению к источнику питания. При появлении второго источника питания (например, у приемников энергии) или кольцевой сети эта селективность нарушается, если даже выключатели, и защиты будут установлены с обеих сторон участков линий.

Селективность несрабатывания без к. з. обеспечивается соответствующим выбором токов срабатывания защит. Устойчивость срабатывания при внутренних к. з. оценивается приводимыми ниже свойствами.

Чувствительность защиты, оцениваемая коэффициентом чувствительности (кч мин >1, 5 в конце защищаемого участка), часто обеспечивается, так как Iк. з в этих случаях обычно больше Iс. з. Затруднения возникают, например, при значительно колеблющемся эквивалентном сопротивлении питающей системы, а также при работе защиты как резервной, например, за трансформаторами понижающих подстанций потребителей.

Устойчивость быстроты срабатывания обычно лучше обеспечивается у защит с независимыми характеристиками выдержек времени. Надежность. Защита по выполнению и типам используемых реле является наиболее простой и должна быть отнесена к защитам, обладающим лучшими аппаратной и эксплуатационной надежности ми.

Учитывая изложенное, максимальную токовую защиту широко используют как основную и резервную в распределительных сетях радиальной конфигурации с одним источником питания напряжением до 1000 В, а также в сетях напряжением до 10 к. В включительно, если ее выдержки времени являются приемлемыми.

В первую очередь целесообразно при этом применять защиты с реле тока прямого действия и на оперативном переменном токе. Необходимо, однако, отметить, что и в этих сетях следует выяснять целесообразность ее дополнения токовыми отсечками, т. е. превращения в защиту со ступенчатой или комбинированной характеристикой выдержки времени.