Трехступенчатая защита линий.

Для электрических сетей с непостоянным режимом питания в цифровых реле предусмотрена возможность выставления двух наборов уставок по току и по времени, один из которых может автоматически или по внешней команде заменить другой. Выбор уставок для таких сетей производится дважды: сначала для одного режима питания сети («нормального»), а затем для другого («аварийного»).

Таким образом, в результате расчёта трёхступенчатой максимальной токовой защиты должны быть выбраны ток срабатывания и время срабатывания каждой ступени защиты, а для третьей (второй) ступени – обратнозависимая времятоковая характеристика или независимая характеристика времени срабатывания защиты (рис.)

Рис. Примеры времятоковых характеристик трёхступенчатых токовых защит.

Традиционно все токовые реле защиты от междуфазных К.З. выполняются двух или трёхступенчатыми. Первое аналоговое индукционное реле RI (РТ-80) выполняет двухступенчатую защиту, имея в своей конструкции защиту первой ступени (отсечку) и МТЗ с обратнозависимой времятоковой характеристикой. Однако, для выполнения трёхступенчатой токовой защиты в трёхфазном исполнении требуется большое количество аналоговых реле. В цифровых реле эта защита размещается в одном модуле. Часто все три ступени имеют следующие условные обозначения:

3I>>> - первая ступень (отсечка), трёхфазная;

3I>> - вторая ступень (отсечка с выдержкой времени), трёхфазная;

3I> - третья ступень (МТЗ), трёхфазная.

Ток срабатывания у отсечек значительно больше, чем у максимальной токовой защиты. Отсечки поэтому называют «грубыми» ступенями защиты, а МТЗ – «чувствительной» ступенью, которая обеспечивает отключение коротких замыканий не только на защищаемом элементе, но и при необходимости на смежных (предыдущих или нижестоящих «downstream»), выполняя функции «дальнего резервирования».

Расчет уставок ступенчатых токовых защит линий рекомендуется начинать с наиболее чувствительной ступени, т.е. МТЗ.

Ток срабатывания МТЗвыбирается в амперах (первичных) по трем условиям: несрабатывания защиты 2РЗ при сверхтоках послеаварийных перегрузок, т.е. после отключения короткого замыкания на предыдущем элементе (рис. 1-3);

Рис. 1-3. Расчётная схема для выбора уставок релейной защиты (РЗ)

- согласования чувствительности защит последующего и предыдущего элементов (Л2иЛ1 на рис.1-3);

- обеспечения достаточной чувствительности при КЗ в конце защищаемого элемента (основная зона) и в конце каждого из предыдущих элементов (зоны дальнего резервирования).

По первому из этих условий ток срабатывания МТЗ на Л2 выбирается по выражению:

где к_н - коэффициент надежности несрабатывания защиты; к_в -коэффициент возврата максимальных реле тока; к_сзп - коэффициент самозапуска нагрузки, отражающий увеличение рабочего тока I_{раб.макс} за счет одновременного пуска всех тех электродвигателей, которые затормозились при снижении напряжения во время короткого замыкания. При отсутствии в составе нагрузки электродвигателей напряжением 6 кВ и 10 кВ и при времени срабатывания МТЗ более 0,3 с можно принимать значения к_сзп ≥ 1,1 - 1,3.

Значения коэффициентов к_н и к_в для цифровых реле соответственно 1,1 и 0,96. При использовании электромеханических реле типа РТВ принимается к_н = 1,3, а к_в = =0,65, типа РТ-80 или РТ-40 - соответственно 1,2 и 0,8. Для статических реле типа РСТ-11,13 к_н = 1,15 и к_в = 0,90.

Максимальные значения коэффициента самозапуска при значительной доле электродвигательной (моторной) нагрузки определяются расчетом для конкретных условий, но обязательно при наиболее тяжелом условии пуска полностью заторможенных электродвигателей.

По условию согласования чувствительности защит последующего (защищаемого) и предыдущих элементов ток срабатывания последующей защиты выбирается по выражению:

где к_нс - коэффициент надежности согласования. I_{c.з.пред. макс(n)} -наибольшая из геометрических сумм токов срабатывания максимальных токовых защит параллельно работающих предыдущих элементов n (рис. 1-4

Рис. 1-4. Схема электрической сети с параллельно работающими предыдущими элементами 3,4 и 5-7.

Правила устройства электроустановок в России требуют выполнять согласование чувствительности защит во всех случаях, когда возможно действие защиты последующего элемента (линия 1 на рис. 1-4) из-за отказа вследствие недостаточной чувствительности защиты предыдущего элемента. Надо отметить, что в распределительных сетях, где в основном и применяются максимальные токовые защиты, весьма вероятны отказы защит из-за недостаточной чувствительности при КЗ в зонах дальнего резервирования.

Наиболее тяжелыми условия согласования чувствительности максимальных токовых защит оказываются при параллельно работающих предыдущих элементах, при разнотипных времятоковых характеристиках согласуемых защит (в том числе и плавких предохранителей), а также при установке на предыдущих элементах дистанционных защит.

Из полученных по выражениям (1-1) и (1-2) значений токов срабатывания защиты выбирается наибольшее, а затем определяется ток срабатывания реле (уставка по току):

где I_СЗ - ток срабатывания защиты, А(первичные); к_сх - коэффициент схемы, показывающий во сколько раз ток в реле больше, чем ток во вторичной обмотке трансформатора тока при нормальном симметричном режиме работы защищаемого элемента; при схемах включения измерительных реле на фазные токи (полная и неполная "звезда") значение этого коэффициента равно 1, а для схем, где измерительные реле включены на разность фазных токов (например "треугольник") равно 1,73; n_т - коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Оценка эффективности защиты производится с помощью коэффициента чувствительности к_чув, который показывает, насколько ток в реле защиты при разных видах КЗ превышает ток срабатывания I_с._р (уставку):

(1-4)

где I_р.мин - минимальное значение тока в реле при наименее благоприятных условиях, А. При определении значения этого тока необходимо учитывать вид и место КЗ, схему включения измерительных органов (реле) защиты, а также реально возможные минимальные режимы работы питающей энергосистемы, при которых токи КЗ имеют наименьшее значения.

Минимальные значения коэффициента чувствительности защит должны быть не менее чем требуется «Правилами». Например, для максимальной токовой защиты они должны быть не менее 1,5 при КЗ в основной зоне защиты и около 1,2 при КЗ в зонах дальнего резервирования, т.е. на предыдущих (нижестоящих) элементах.

Для выбора минимального значения тока в реле рассматриваются все виды КЗ. Например, для двухфазной схемы максимальной токовой защиты (2I>) при КЗ на защищаемых линиях минимальное значение тока в реле следует рассчитывать при двухфазных КЗ. При тех же видах КЗ за трансформаторами со схемами соединения обмоток Y/Δ-11 или Δ/Y важно учесть схему защиты: для двухрелейной схемы (2I>) расчетное значение I_р._мин ⁼ 0,5 • I_2К⁽³⁾ , а для трехрелейной (3I>) I_р._мин ⁼ I_2К⁽³⁾ и, следовательно, чувствительность защиты повышается в 2 раза и получается одинаковой при трехфазном и всех видах двухфазных КЗ.

Для токовых защит линий напряжением 6 - 110 кВ с включением токовых реле на фазные токи (схемы полной и неполной звезды) расчет коэффициента чувствительности может производиться по первичным значениям токов КЗ и срабатывания защиты:

(1-5)

В некоторых случаях «Правила устройства электроустановок» допускают невыполнение дальнего резервирования, например, при КЗ за трансформаторами, на реактированных линиях, линиях 110 кВ и выше при наличии ближнего резервирования, а также при КЗ в конце длинного смежного (предыдущего) участка линии 6-35 кВ.

Выбор времени срабатывания и типа времятоковой характеристики МТЗ.

Выдержка времени максимальных токовых защит вводится для замедления действия защиты с целью обеспечения селективности действия защиты последующего элемента по отношению к защитам предыдущих элементов. Для этого выдержка времени (или время срабатывания) защиты последующей линии Л2 (рис. 1-3) выбирается большей, чем у защит предыдущих элементов, например, линии Л1:

При этом обеспечивается селективное (избирательное) отключение в первую очередь ближайшего к месту КЗ выключателя. Тем самым предотвращаются дополнительные излишние отключения неповрежденных элементов.

Величина Δt - ступень селективности или ступень времени (time interval). Её значение выбирается в зависимости от точности работы защитных устройств и времени отключения выключателей.

Ступень селективности Δt должна обеспечиваться:

а) при согласовании защит с зависимыми характеристиками - при максимальном значении тока КЗ в начале предыдущего участка; такое согласование позволяет в ряде случаев ускорять отключение КЗ

б) при согласовании защит с независимой и зависимой характеристиками – при токе срабатывания последующей защиты с независимой характеристикой.

Уменьшение времени действия последующих защит может быть достигнуто путем увеличения их тока срабатывания, если это не противоречит требованию чувствительности.

Недостатком максимальных токовых защит является «накопление» выдержек времени, особенно существенное для головных элементов в многоступенчатых электрических сетях. Для преодоления этого недостатка используются цифровые устройства защиты, позволяющие принимать ступени селективности Δt = 0,15 - 0,2 с. Другим способом ускорения отключения КЗ является использование двух и особенно трёхступенчатых цифровых защит.

В ряде случаев существенное снижение времени отключения КЗ достигается путем использования токовых защит с обратнозависимыми от тока времятоковыми характеристиками. Использование обратнозависимых времятоковых характеристик реле по сравнению с независимыми также позволяет значительно лучше согласовать время действия последующей релейной защиты с предыдущим защитным устройством, выполненным плавкими предохранителями, поскольку у них однотипные зависимости времени срабатывания от значения тока КЗ. Эти и другие преимущества обратнозависимых времятоковых характеристик максимальных токовых защит объясняют столь долгое существование этих характеристик и необходимость их реализации и в электромеханических, и в микропроцессорных реле.

Необходимое время срабатывания защиты t_c3 выбирается по условию (1-9). Для вычисления «временного» коэффициента к используется выражение (1-10):

Постоянные коэффициенты αиβ определяют крутизну зависимых времятоковых характеристик.

В момент КЗ время срабатывания защиты при выбранном типе характеристики, известном I_СЗ и выбранном по выражению (1-10) коэффициенте к определяется автоматически по выражению (1-11):

Отсечка с выдержкой времени на линиях электропередачи.Небольшая выдержка времени позволяет задержать срабатывание отсечки последующей линии при КЗ на предыдущей линии для того, чтобы успела сработать мгновенная отсечка повреждённой линии. Для отсечки с небольшой выдержкой времени можно выбрать значительно меньшее значение тока срабатывания по сравнению с током срабатывания мгновенной отсечки по нескольким причинам.

Ток срабатывания по выражению (1-17) выбирается из условия отстройки от токов при КЗ в более удалённых точках, например при КЗ в конце зоны действия мгновенной отсечки предыдущей линии, при КЗ за трансформатором приёмной подстанции или трансформатором на ответвлении защищаемой линии, имея в виду, что трансформаторы оборудованы быстродействующими защитами. Можно выбирать ток срабатывания отсечки с выдержкой времени на последующей линии по выражению (1-2), т.е. по условию согласования чувствительности с мгновенной отсечкой на предыдущей линии.

В дополнение к этому нужно отметить, что для отсечек с замедлением не требуется выполнения условия (1-18) отстройки отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов, поскольку эти токи быстро затухают. На линиях с трансформаторами на ответвлениях при выполнении защиты трансформаторов с помощью плавких предохранителей (например, типа ПКТ-10 или ПСН-35) и при КЗ в трансформаторе селективность между плавкими предохранителями и токовой отсечкой питающей линии можно обеспечить благодаря замедлению действия отсечки.

Неселективная токовая отсечка без выдержки времени.Применяется в тех случаях, когда требуется мгновенное отключение таких КЗ, которые приводят к аварии, если их отключать с выдержкой времени. Например, трёхфазное КЗ у шин электростанции или подстанции с синхронными электродвигателями может вызвать значительное понижения напряжения на зажимах генераторов и синхронных электродвигателей. Если быстро не отключить такое КЗ, произойдет нарушение синхронной параллельной работы этих электрических машин с энергосистемой, что приведёт к расстройству энергоснабжения, а возможно, и к повреждению электрооборудования.

Большую опасность для электрооборудования представляет термическое воздействие сверхтоков КЗ. Как известно, степень термического воздействия электрического тока прямо пропорциональна значению тока (в квадрате) и времени его прохождения. Если по каким-либо причинам⁴ нельзя уменьшить значение тока КЗ до такого, при котором можно без опасения отключать повреждённый элемент с выдержкой времени селективной максимальной токовой защиты, то необходимо уменьшить время отключения КЗ. Одним из наиболее простых и дешёвых способов быстрого отключения КЗ является использование неселективных токовых отсечек без выдержки времени в сочетании с устройствами автоматики (АПВ, АВР), которые полностью или частично ликвидируют отрицательные последствия работы неселективных отсечек.

Ток срабатывания неселективной токовой отсечки, предназначенной для обеспечения устойчивой параллельной работы синхронных электрических машин, выбирается из условия её надёжного срабатывания в тех зонах, где трёхфазные КЗ вызывают снижение напряжения в месте установки отсечки ниже допустимого значения остаточного напряжения U_ОCT. Значение тока срабатывания неселективной отсечки (в амперах) определяется по выражению

где U_{c мин} - междуфазное напряжение (ЭДС) питающей энергосистемы в минимальном режиме её работы может приниматься в пределах 0,9 - 0,95 номинального, В; Z_C.MИH -сопротивление энергосистемы (в минимальном режиме её работы) до места установки отсечки, Ом; кд - коэффициент, отражающий зависимость остаточного напряжения U_ОCT в месте установки рассчитываемой отсечки от удалённости трёхфазного КЗ (z_K = =ko Z_C-MHH), определяется по зависимости U*_ОCT — f(ko), приведенной на рис. 1-17,6; к_н -коэффициент надёжности, принимаемый равным 1,1 - 1,2.