Источники оперативного тока для питания элементов релейной защиты

Оперативным называется ток, обеспечивающий работу ло­гической (в ряде случаев и измерительной) части релейной за­щиты, ее исполнительного и сигнального органов, а также элек­тромагнитов управления коммутационных аппаратов. Очевидно, что надежное функционирование устройства релейной защиты и целом во многом определяется надежностью источ­ников питания и схемы оперативного тока.

Источники оперативного тока должны всегда, в любых ава­рийных режимах обеспечивать такие значения напряжения и мощности, которые гарантируют надежное действие защиты и электромагнитов управления коммутационных аппаратов.

На подстанциях распределительных сетей могут применять­ся следующие виды оперативного тока и их источники:

постоянный — аккумуляторные батареи;

переменный — измерительные трансформаторы тока ТТ и трансформаторы напряжения TH, а также трансформаторы соб­ственных нужд ТСН;

выпрямленный — блоки питания (токовые БПТ и напряжения БПН) и другие выпрямительные устройства;

ток разряда конденсаторов — предварительно заряженные конденсаторы, собранные в блоки БК, совместно с блоками для заряда конденсаторов УЗ или БПЗ.

Из всех перечисленных источников оперативного тока прин­ципиально самым падежным является аккумуляторная батарея, так как она обеспечивает питание защитных устройств с необхо­димыми значениями напряжения и мощности во время самых тяжелых аварийных режимов, когда на подстанции может пол­ностью исчезнуть первичное напряжение. Аккумуляторная бата­рея по праву издавна считается автономным (независимым) источником оперативного тока. Однако при массовом строитель­стве в нашей стране понижающих подстанций потребовалось бы очень много аккумуляторных батарей, которые стоят значи­тельно дороже других источников оперативного тока, требуют специальных помещений, зарядных агрегатов, специалистов для обслуживания. Из опыта эксплуатации известно, что только при систематическом квалифицированном обслуживании акку­муляторная батарея является надежным источником оператив­ного тока. Поэтому в настоящее время на понижающих подстан­циях 35—110 кВ распределительных сетей аккумуляторные ба­тареи, как правило, не применяются, что соответствует указа­ниям [1]. Исключение могут составлять подстанции с тяжелы­ми масляными выключателями ПО кВ (например, типа МКП), которые требуют для включения мощный независимый источник постоянного оперативного тока.

Источники переменного оперативного тока — ТТ, ТН и ТСН — могут обеспечить надежное питание защитных устройств только в случае их совместного применения. При междуфазных к. з., сопровождающихся увеличением тока и глубоким снижением напряжения, очевидно, нельзя использовать в качестве источни­ков оперативного тока ТН и ТСН, включенные на стороне НН или СН трансформаторной подстанции, но можно использовать ТТ, установленные для защиты трансформатора (рис. 5,а). Успешно применяется так называемая схема с дешунтированием ЭО (ЭВ), в которой ТТ являются источниками оператив­ного тока для максимальных и дифференциальных токовых за­щит, действующих при междуфазных к. з.

При других видах повреждения, например при витковом за­мыкании в обмотке трансформатора или уходе масла из-за неисправности бака трансформатора, а также при перегруз­ках напряжение на подстанции не снижается, поэтому ТН и ТСН вполне могут быть использованы в качестве источников оперативного тока для газовой защиты, а также максималь­ной токовой защиты от сверхтоков, обусловленных пере­грузкой. По этому же принципу строится схема питания защитных устройств выпрямленным оперативным током (рис. 5,6). То­ковый блок питания БПТ обеспечивает выпрямленное напряже­ние на общих шинках оперативного тока «+» и «—» при между­фазных коротких замыканиях, сопровождающихся большими токами через ТТ. Блок питания БПН включен на переменное напряжение трансформатора собственных нужд ТСН и обеспечи­вает выпрямленное напряжение на тех же шинках оперативного тока при таких повреждениях и ненормальных режимах, при которых напряжение на шинах НН подстанции сохраняется нор­мальным или близким к нормальному (витковые замыкания

Рис. 5 Источники переменного (а) и выпрямленного (б) оперативного тока ТСН трансформатор собственных нужд; БК - блоки предварительно заряженных конденсаторов; УЗ зарядное устройство; БПТ, БПН блоки питания

в трансформаторе, перегрузка, уход масла). Блок БПН обеспе­чивает выпрямленное напряжение также для операций опера-тивного включения и отключения коммутационных аппаратов.

Oт общих шин выпрямленного оперативного тока получают питание все устройства релейной защиты, электромагнит отклю­чения выключателя В, электромагнит включения короткозамыкателя КЗ. Однако на современных подстанциях распределительных се­тей могут возникать такие аварийные режимы, во время кото­рых на подстанции пет напряжения и не проходит ток к. з. И именно в таком режиме должна действовать специальная автоматика и должны отключаться выключатели пли автомати­ческие отделители. Наиболее характерным примером является действие автоматики отделителя ОД, через который понижаю­щий трансформатор подключен к питающее линии (рис. 6). Автоматический отделитель АОД представляет собой обычный разъединитель с приводом и с несколько увеличенными расстоя­ниями между полюсами, который не способен отключать токи к.з. и даже токи нагрузки трансформатора. Автоматический отделитель должен отключаться только во время бестоковой паузы, т.е. тогда, когда трансформатор находится без тока на­грузки и без напряжения.

Рассмотрим работу автоматики АОД, обеспечивающей от­ключение отделителя ОД в бестоковую паузу (рис. 6). При к. з. в трансформаторе и действии его релейной защиты РЗТ включается короткозамыкатель КЗ. Источниками оперативного тока для этой операции могут служить трансформаторы тока ТТ (при действии дифференциальной или максимальной токо­вой защиты) или трансформатор ТСН (при действии газовой защиты). После включения КЗ Действует защита питающей ли­нии P3Л и отключает выклю­чатель В линии ВЛ-110 кВ, после чего на рассматривае­мой подстанции полностью ис­чезает напряжение и ток до момента работы АПВ линии. Для того чтобы в этот проме­жуток времени, называемый бестоковой паузой, отключить отделитель, необходим незави­симый источник оперативного тока. Таким источником мо­жет быть, кроме аккумуля­торной батареи, предвари­тельно заряженный конденса­тор БК (рис. 4-6). Накоплен­ная в конденсаторе энергия сохраняется в течение доста­точно длительного времени (минуты) после полного исчезновения напряжения на подстан­ции и прекращения заряда конденсатора зарядным устройст­вом УЗ. Эта энергия используется для отключения ОД в бестоковую паузу.

Предварительно заряженные конденсаторы применяются в качестве независимого источника оперативного тока практиче­ски на всех упрощенных подстанциях, причем в ряде случаев не только для отключения ОД в бестоковую паузу, но также для обеспечения работы токовых защит трансформатора и включе­ния КЗ, если схема с дешунтированием ЭО (ЭВ) не может быть использована. Энергия предварительно заряженных кон­денсаторов широко используется и в схемах автоматики распре­делительных сетей [5].

Таким образом, на типовой упрощенной подстанции распре­делительных сетей 35—110 кВ используется несколько источни­ков оперативного тока, взаимно дополняющих друг друга и обеспечивающих надежную работу защитных устройств и ком­мутационных аппаратов во всех возможных режимах.

Рис. 6. Структурная схема оперативного тока для питания цепей авто­матики отключения отделителя ОД (АОД)

Оперативный ток – питает цепи дистанционного управления выключателями, оперативные цепи релейной защиты, автоматики.

Основное требование к источникам оперативного тока – надежность, при КЗ и ненормальных режимах напряжение источников оперативного тока и их мощность должны иметь достаточную величину как для действия релейной защиты, так и для отключения выключателей.

Постоянный оперативный ток

Источниками данного тока являются аккумуляторные батареи напряжением 110...220 В. Для повышения надежности сеть постоянного тока секционируется (рис. 7) Аккумуляторные батареи обеспечивают питание независимо от состояния основной сети и являются самым надежным источником питания. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, необходимость в зарядных агрегатах, сложную сеть постоянного тока.

Рис. 7

Переменный оперативный ток

Источниками служат измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы собственных нужд, подключаемые на ток и напряжение самой сети.

Трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд не пригодны для питания цепей релейной защиты при КЗ – так как напряжение в сети при этом резко снижается. Могут использоваться при ненормальных режимах: перегрузка, замыкание на землю.

Трансформаторы тока надежны для защит от КЗ – ток при этом увеличивается, мощность достаточна для питания оперативных цепей. Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся резким увеличением тока.

Чаще всего используется комбинированное питание от трансформаторов тока и напряжения. Принципиальная схема блоков питания типов БПТ представлена на рис. 8

Рис. 8

Лекция 8

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Трансформатор тока – важный элемент релейной защиты. Он питает цепи защиты током сети и выполняет роль датчика, через который поступает информация к измерительным органам устройств релейной защиты.

Рис. 1

Принцип действия

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в силовую цепь. Вторичная обмотка замыкается на сопротивление нагрузки Z_Н – последовательно включенные реле и приборы.

Ток I₁, протекая по обмотке, создаёт магнитный поток Ф₁=Iw₁, под воздействием этого потока во вторичной обмотке наводиться ЭДС Е₂. По обмотке протекает ток I₂.

Если не учитывать потерь то:

, (2.1)

где – витковый коэффициент трансформации.

В заводских материалах на трансформаторы тока указывают номинальный коэффициент трансформации . Если не учитывать потери, то n_в=n_т.

В действительности же I₂ отличается от расчетного значения. Часть тока I₁ тратиться на создание намагничивающего потока:

(2.2)

Если разомкнуть вторичную обмотку, магнитный поток в магнитопроводе резко возрастет. Магнитопровод быстро расплавится. Кроме того на вторичной разомкнутой обмотке появиться высокое напряжение, достигающие десятков киловольт. Вторичная обмотка обязательно должна быть заземлена – если произойдет пробой изоляции, то при заземленной вторичной обмотке получится короткое замыкание, защитная аппаратура отключит поврежденный трансформатор, заземление вторичной обмотке делается прежде всего для обеспечения техники безопасности.

Причиной погрешностей в работе трансформаторов тока является ток намагничивания. Чрезмерно большие погрешности могут вызвать неправильные действия релейной защиты, поэтому стараются уменьшить ток намагничивания.