Токовая защита нулевой последовательности

Защита реагирует на составляющие НП полного естественного емкостного тока, проходящего по фазам защищаемого присоединения при замыканиях на землю. Схема РЗ дана на рис.9.7. Токовое реле КА служит измерительным органом РЗ оно действует на сигнал через реле времени КТ. Срабатывание РЗ фиксируется указательным реле КН.

Измерительный орган выполняется с помощью чувствительного токового реле мгновенного действия; используются электромагнитное реле РТ-40/0,2 и более чувствительное реле, выполненное на транзисторах типа РТЗ-50. Защита с РТЗ-50 может срабатывать при первичном токе порядка 1-2 А. Высокая чувствительность этого реле обеспечивается с помощью двухкаскадного усилителя постоянного тока, включенного через промежуточный трансформатор и выпрямительный мост. Питание полупроводниковой схемы осуществляется либо от делителя напряжения 110/220 В постоянного тока, либо выпрямленным напряжением переменного тока. Ток срабатывания реле плавно регулируется в пределах 10-60 мА. Мощность срабатывания реле около 12 мВ • А.

Взамен РТЗ-50 ЧЭАЗ освоил выпуск реле типа РТЗ-51, выполненного на ИМС. Устройство реле РТЗ-51 поясняет функциональная схема реле, изображенная на рис.9.8. В соответствии со структурной схемой полупроводниковых реле тока ее можно подразделить на три функциональные части: воспринимающую входной сигнал, преобразующую его и сравнивающую преобразованный сигнал с заданной уставкой. Воспринимающая часть (как обычно, в полупроводниковых реле) выполняется в виде промежуточного трансформатора тока ТА, замкнутого на резистор R2,параллельно которому с помощью переключателей SB1-SB5 можно подключить резисторы R3-R7, предназначенные для дискретного регулирования уставки тока срабатывания реле. Диоды VD1, VD2 ограничивают уровень входного сигнала. При замыкании на землю входной сигнал в виде тока 3I₀ поступает в первичную обмотку трансформатора ТА и преобразуется в напряжение на зажимах резистора R2 (u_R2 = i_oTAR₂). Это напряжение поступает в преобразующую часть, состоящую из частотного фильтра Ф и усилителя А1. Фильтр пропускает ток 50 Гц и запирает выход в схему сравнения токов высших гармоник, если они имеются в токе замыкания на землю (3I₀). Усилитель А1 служит для повышения чувствительности реле к малым значениям тока I_з⁽¹⁾, на которые должно реагировать реле. В качестве усилителя А1 используется операционный усилитель (ОУ). Сигнал с выхода А1 поступает на схему сравнения, построенную аналогично типовому реле тока на ИМС (завода ЧЭАЗ), рассмотренному в гл. 2 и 4.

Схема сравнения состоит из порогового элемента, выполненного на операционном усилителе А2,времяизмерительной цепи (образованной из резисторов R15, R16,диода VD5 и конденсатора С8)и триггера Шмитта, построенного на операционном усилителе A3 сположительной обратной связью. Выходной сигнал A3 воздействует на исполнительный орган, функции которого выполняет промежуточное реле KL,включенное в коллекторную цепь
усилительного каскада на транзисторе VT1, Реле KL срабатывает при появлении положительного сигнала на выходе A3.

В нормальном режиме, когда сигнал 3I₀, поступающий на вход реле ТА отсутствует или меньше порога срабатывания компаратора А2,выходное напряжение операционного усилителя А2 имеет положительный знак, под действием которого конденсатор С8 заряжен и на его выходе устанавливается напряжение того же знака (+). При этом выходное напряжение A3 имеет отрицательную полярность, поэтому исполнительный орган (VT1 и KL)не работает.

При появлении воздействующего сигнала, превышающего опорное напряжение А2 (U_вх > U_оп),операционный усилитель переключается, его выходное напряжение становится отрицательным, конденсатор перезаряжается и на входе A3 появляется потенциал отрицательного знака. При этом на его выходе появляется напряжение положительного знака, что приводит к срабатыванию исполнительного органа.

Реле РТЗ-51 имеет шесть диапазонов срабатывания по току – от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата k_в≈ 0,93. Потребляемая мощность питания на постоянном токе – не более 10 Вт, на переменном токе – не более 5 В•А. Таким образом, это реле имеет высокую чувствительность и широко используется в сетях, питающих торфоразработки и аналогичные установки.

Селективность действия РЗ основана на различии абсолютных значений токов 3I₀ в защищаемой ЛЭП при замыкании на ней и замыкании на землю внешнем (на других присоединениях). Условия работы РЗ поясняет распределение токов I₀ на рис.9.9.

Ток срабатыванияРЗ каждой ЛЭП по условию селективности необходимо отстраивать от емкостного тока 3I _ол, проходящего по защищаемой ЛЭП при замыкании на землю на других присоединениях, и от тока небаланса,появляющегося в ТНП при внешних междуфазных КЗ.

Если емкость фазы защищаемой ЛЭП (например, W2 на рис.9.4) равна C_W2, то тогда при внешнем замыкании на землю установившийся ток в этой ЛЭП 3I_oCW2 ⁼ 3U_фωC_W2. В переходном режиме, возникающем в начальный момент повреждения и при замыкании через перемежающуюся электрическую дугу, возникают значительные броски емкостного тока во всех элементах сети, в 4-5 раз превышающие его установившееся значение. С учетом этого первичный ток срабатывания по первому условию

(9.19)

где С_з.л – емкость защищаемой ЛЭП; k_б — коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока I_oC(в РЗ, работающей без выдержки времени, k_б = 4 ÷ 5, при наличии выдержки k_б = 1 ÷2 в зависимости от значений t₃); k_H= 1,1 ÷ 1,2.

По второму условию

(9.20)

Приближенно , здесь I_{нб наг} – ток небаланса при токе нагрузки I_наг, измеряется при наладке РЗ.

Обычно на длинных ЛЭП, имеющих большую С, ток I_сз, выбранный по (9.19), удовлетворяет условию (9.20).

При повреждении на защищаемой ЛЭП РЗ срабатывает при условии, что ток в поврежденной ЛЭП, определяемый по (9.12),

. (9.21)

Коэффициент чувствительности, равный отношению тока в поврежденной ЛЭП к I_с.з, должен быть не менее 1,25-1,5. Вследствие сложности оценки вторичного тока ТНП по первичному, реле регулируется на заданный ток I_с.зподачей тока в первичную цепь ТНП. Как уже отмечалось, токовая РЗ может применяться в некомпенсированных сетях при условии, что от шин подстанции отходит достаточное количество ЛЭП, при котором С_оΣ >> С_ол.

Токовая РЗ НП, выполненная по схеме на рис.9.7, применяется не только на кабельных, но и на воздушных ЛЗП 6-10 кВ. Рассмотренная защита используется в основном в сетях с изолированной нейтралью, где она реагирует на естественный емкостный ток. В компенсированных сетях для действия токовой защиты может использоваться остаточный ток перекомпенсации или активная составляющая тока ДГР, или активный ток при заземлении сети через резистор R.

НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА

В радиальных сетях, когда собственные емкостные токи отдельных присоединений велики и соизмеримы с полным емкостным током сети, токовая защита неприменима. В этом случае имеется принципиальная возможность использовать направленные защиты, которые не требуется отстраивать от собственных емкостных токов защищаемой линии.

Направленная защита состоит из одного реле мощности, которое включается на ток и напряжение нулевой последовательности (рис.9.9, а).

В некомпенсированной сети защита реагирует на мощность нулевой последовательности, создаваемую емкостным током линии. Как следует из токораспределения на рис.9.4, направление тока, а следовательно, и мощности на поврежденной и неповрежденной линиях противоположны, и, следовательно, по знаку мощности направленное реле может определить поврежденную линию.

Учитывая, что емкостный ток I₀ сдвинут относительно напряжения на 90°, применяют реле мощности синусного типа, реагирующее на

S_p = 3U₀3I₀sin φ₀.

В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока, направленная защита неприменима, так как реактивный ток, протекающий в поврежденной линии, и емкостный ток в неповрежденной линии имеют одинаковое направление.

В перекомпенсированной сети реле мощности используется в тех случаях, когда для действия защиты создается активный ток искусственным путем. В этом случае должно применяться реле мощности косинусного типа.

Для обеспечения селективности при "земле" в сети реле мощности направленной защиты должно отстраиваться от тока и напряжения небаланса, обусловленного нагрузкой, протекающей по данной линии; этим условием ограничивается чувствительность защиты.

Реле мощности должны иметь высокую чувствительность. При питании токовой обмотки реле от ТНП нужно учитывать большую угловую погрешность последнего. Для правильной работы направленной защиты требуется малая угловая погрешность измерительных трансформаторов и точность угловой характеристики реле.

Возможно также использовать активную составляющую тока замыкания на землю, которая обусловливается активным сопротивлением дугогасящей катушки. Эта составляющая невелика и достигает 3-5% тока катушки. Активный ток катушки замыкается только по поврежденному присоединению и на него должна реагировать защита.

Защита выполняется с помощью реле мощности косинусного типа, реагирующего только на активную составляющую мощности нулевой последовательности.

Промышленность изготовляет по разработкам ВНИИЭ реле направления мощности типа ЗЗП-1М, выполненное на транзисторах. Реле реагирует на реактивную составляющую мощности; имеет три уставки срабатывания по току (0,07; 0,5; 2 А) при номинальных значениях напряжений и φ_мч = 90°.

Защита ЗЗП-1М состоит из следующих основных органов (рис.9.9, в): согласующего устройства 1,усилителя переменного тока 2,фазочувствительного усилителя OHM 3,выходного реле 4 и блока питания 5. Блок питания типа БПН-11 подключается к ТН или ТСН подстанции (на рис.9.9 не показано). На случай отказа РЗ или выключателя поврежденной ЛЭП из-за неисправности или из-за снижения суммарного емкостного тока при выводе одной или нескольких ВЛ на подстанции предусматривается дополнительно к линейным РЗ (ЗЗП-1М) резервная неселективная максимальная РЗ напряжения НП (реле KV2 на рис.9.9, б),которая с выдержкой времени 0,5-0,7 с действует на отключение питающего трансформатора (при этом должны запрещаться действия АПВ и АВР).

В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока (I_дгр > 3I_оС), как отмечалось выше, направленная РЗ синусного типа неприменима. Это реле также не может работать в сети с активным током замыкания на землю.

ВНИИЭ разработана новая конструкция устройства, аналогичного реле направления мощности типа ЗЗН, построенного на ИМС. В защите ЗЗН предусмотрена возможность регулирования угла максимальной чувствительности, позволяющая ее использовать в качестве защиты, реагирующей на реактивный ток (φ_м.ч = 90°), активный ток (φ_м.ч = 0) и на промежуточное значение угла φ_м.ч. В реле также предусмотрено автоматическое регулирование чувствительности реле и тестовый контроль.