Дифференциальная токовая и другие виды защиты шин

Защита предназначена для быстрого отключения электрических цепей, включенных на сборные шины, при КЗ на сборных шинах или на любом другом оборудовании, входящем в зону действия защиты. Зона се действия ограничивается трансформаторами тока, к которым подключены реле защиты. На КЗ за пределами зоны дифференциальная защита шин не реагирует.

В основу выполнения защиты положен принцип сравнения токов электрических цепей при КЗ и других режимах работы.

Для выполнения защиты дифференциальное реле КА подключают к трансформаторам тока присоединений, как показано на рис. 7.26. При таком включении ток в реле всегда будет равен геометрической сумме вторичных токов присоединений.

Рис. 7.24. Сравнение защитных высокочастотных сигналов при КЗ:

а - внешнее КЗ; б - КЗ в защищаемой зоне; в - генерация импульсов ВЧ сигналов при положительной полуволне тока; г - сигнал ВЧ на входе приемника сплошной - КЗ в незащищаемой зоне; д - то же прерывистый (сигналы имеют скважности) - КЗ в защищаемой зоне

Рис. 7.25. Структура полукомплекта дифференциально-фазной защиты:

Z - заградитель; С - конденсаторы связи; 1 - полукомплект защиты

Рис. 7.26. Токи в реле дифференциальной токовой защиты тин при К3 на шинах (а) и внешнем КЗ (б)

Рис. 7.21. Принципиальная схема дифференциальной токовой защиты двойной системы шин: SA1 – ключ управления шиносоединительного выключателя Q1; SA2 – то же обходного выключателя Q2; ИТО1 – реле избирательного токового органа I ситемы шин; ИТО2 – то же II системы шин; ПО – реле общего пускового органа; KA0 – реле токовое сигнального комплекта; Kl1-KL6 – реле промежуточное; KL7-KL8 – реле промежуточные с выдержкой времени; KL0 – реле промежуточное сигнального комплекта; SG9-SG14 – испытательные блоки; S – рубильник нарушения фиксации; SX1-SX5 – накладки; 1 – кнопка диблокировки сигнального реле; 2 – кнопка, шунтирующая миллиамперметр

Рис. 7.28. Принцип действия дифференциально-фазной защиты шин (а) и фазы токов в присоединениях при КЗ в зоне действия защиты (б) и вне зоны (в)

При КЗ на шинах (рис. 7.26, а) вторичные токи присоединений будут иметь одно направление и через реле будет проходить сумма этих токов I_P=I₁+I₂+I₃. Если I_P>Iсз, реле сработает.

При внешнем КЗ (рис. 7.26, б) ток в обмотке реле I_P=I₁+I₂+(–I₃)=0, реле работать не будет, если оно отстроено от тока небаланса, появляющегося вследствие погрешности трансформаторов тока.

Основанные на общем принципе дифференциальные защиты шин могут отличаться друг от друга по схеме, что связано с приспособлением их к той или иной главной схеме подстанции. В эксплуатации находятся дифференциальные защиты шин для подстанции с одной и двумя системами шин, а также для подстанций с реактированными линиями и несколькими источниками питания. Наибольший интерес с точки зрения обслуживания их оперативным персоналом представляют дифференциальные токовые защиты шин с двумя системами шин с фиксированным распределением присоединений, которое часто используется как одно из средств ограничения токов КЗ в сетях 110-220 кВ. Ниже рассматривается одна из таких защит.

Отличительной особенностью защиты (рис. 7.27) является избирательность в отключении поврежденной системы шин, если соблюдено установленное распределение присоединений по шинам. Селективность действия обеспечивается применением в схеме двух избирательных органов (комплектов реле) ИТО1, ИТО2 и общего пускового токового органа (комплекта реле) ПО. Реле каждого избирательного комплекта подключены к трансформаторам тока присоединений, зафиксированных за данной системой шин, и действуют на отключение выключателей только этих присоединений. Реле общего пускового комплекта подключены к трансформаторам тока присоединений обеих систем шин и поэтому срабатывают при КЗ на любой системе шин. На внешние КЗ они не реагируют, даже если нарушена фиксация присоединений.

Работа защиты. При КЗ на одной системе шин сработают токовые реле общего пускового комплекта ПО и подадут оперативный ток на отключение шиносоединительного выключателя (реле KL3) и одновременно на избирательные токовые органы ИТО1 и ИТО2. Отключение выключателей присоединений поврежденной системы шин произойдет в результате срабатывания промежуточного реле соответствующего избирательного комплекта.

В случае нарушения установленной фиксации присоединений оба избирательных элемента защиты могут сработать при внешнем КЗ, так как токи в них не балансируются. Однако это не приведет к отключению присоединений, поскольку постоянный ток на реле избирательных токовых органов подается общим пусковым комплектом, в реле которого токи будут уравновешены, и он не сработает. Если при нарушении фиксации присоединений КЗ возникает на одной из рабочих систем шин, то сработают все три комплекта защиты и отключаются обе системы шин. Для сохранения селективности действия защиты в случае изменения фиксации присоединений необходимо переключение из одного избирательного комплекта в другой токовых и оперативных цепей присоединений, переведенных на другую рабочую систему шин.

В схеме защиты (рис. 7.27) предусмотрен рубильник "Нарушение фиксации присоединений", шунтирующий цепи постоянного тока обоих избирательных токовых органов. Включением этого рубильника из схемы защиты исключаются контакты реле избирательных комплектов ИТО1 и ИТО2. Рубильник включают перед началом операций с коммутационными аппаратами, нарушающих установленную фиксацию присоединений. Он должен быть также включен, когда в работе находится одна система шин и на нее включены все присоединения. При включенном рубильнике защита действует на отключение сразу всех выключателей. Если рубильник будет включен при работе обеих систем шин и фиксированном распределении присоединений, то в случае КЗ на одной системе шин защита неселективно подействует на отключение выключателей обеих систем шин непосредственно от общего комплекта.

Для опробования напряжением одной из системы шин с помощью ШСВ в схеме защиты предусмотрена автоматическая блокировка, замедляющая отключение выключателей присоединений рабочей системы шин в случае включения ШСВ на КЗ. Блокировка выполнена с помощью реле KL7, имеющего при возврате большую выдержку времени, чем время отключения ШСВ. Именно на это время реле KL4 снимает минус оперативного тока с реле KL1 и KL2 избирательных комплектов, благодаря чему они не смогут отключать выключатели присоединений. Команда на отключение ШСВ подается без замедления от реле KL3, как только подействует реле пускового комплекта. Если отключение ШСВ по какой-либо причине затянется, по истечении времени возврата реле KL7 произойдет отключение рабочей системы шин.

Аналогичная блокировка (реле KL8) предусмотрена и на случай опробования напряжением обходной системы шин с помощью обходного выключателя. На момент опробования вторичные цепи трансформаторов тока обходного выключателя должны быть выведены из схемы защиты (вынуты крышки испытательных блоков SG9 и SG10). Иначе возможное КЗ на обходной системе шин окажется внешним КЗ, и защита не сработает.

В процессе вывода в ремонт выключатели электрической цепи должны вноситься соответствующие изменения в схему защиты тин. Так, при выводе в ремонт выключателя электрической цепи и замене его шиносоединительным выключателем из схемы защиты шин исключаются вторичные цепи трансформаторов тока выводимого выключателя и одного комплекта трансформаторов тока ШСВ, а цепи другого комплекта трансформаторов тока ШСВ используются в схеме защиты как цепи трансформаторов тока присоединения. Все операции в токовых цепях выполняются с помощью испытательных блоков. Производятся переключения и в цепях оперативного тока защиты. Выходные цепи избирательных комплектов, подающих команды на отключение "своих" выключателей, объединяются, а действие пускового комплекта на отключение ШСВ исключается.

Рис. 7.29. Структурная схема дифференциальной защиты шин с торможением

При замене выключателя присоединения обходным выключателем трансформаторы тока обходного выключателя вводятся в схему защиты шин с помощью испытательных блоков SG9 или SG10, а трансформаторы тока, выводимого из схемы подстанции выключателя, исключаются из схемы защиты шин. По цепям оперативного тока обходной выключатель подключается на отключение от защиты шин испытательными блоками SG11 или SG12 в зависимости от того, на какую систему шин включается присоединение, выключатель которого заменен обходным выключателем. Непосредственное действие пускового комплекта на отключение обходного выключателя исключается.

В эксплуатации возможны обрывы или шунтирование вторичных цепей трансформаторов тока, к которым подключены реле защиты. В результате баланс токов в реле нарушается и они могут сработать даже при нормальном режиме работы подстанции. Для предупреждения неправильной работы защиты предусмотрено устройство контроля исправности токовых цепей, выполненное при помощи токовых реле КА₀ и миллиамперметра mA, включенных в нулевой провод трансформаторов тока. При некотором (опасном) значении тока небаланса устройство контроля срабатывает, выводит защиту из действия и оповещает персонал о неисправности. Постепенно развивающиеся повреждения в токовых цепях выявляются периодическими измерениями тока небаланса с помощью миллиамперметра при нажатии шунтирующей его кнопки 2. При токе, превышающем значение, указанное в инструкции, защита шин должна выводиться из работы во избежание ее неправильного действия.

На узловых подстанциях с воздушными выключателями, повреждение которых при выведенной из работы защите шин может привести к нарушению устойчивости параллельной работы станций и развитию аварии в системную, на время отключения защиты шин для проверок и других работ необходимо вводить ускорения на резервных защитах электрических цепей или включать временные быстродействующие защиты.

Однако если время отключения защиты шил для работ в ее цепях не превышает 30 мин, допускается на этот период не включать ускорения резервных защит, но при этом, как правило, не следует выполнять в зоне действия защиты шип никаких операций по включению и отключению шинных разъединителей и воздушных выключателей под напряжением.

Другие виды защиты шин. Наряду с дифференциальной токовой защитой получили распространение дифференциально-фазные защиты шин и дифференциальные защиты с торможением. По сравнению с дифференциальной токовой защитой обе защиты обладают большей чувствительностью и менее требовательны к точности трансформаторов тока.

Дифференциально-фазная защита основана на сравнении фаз токов присоединений. Для ее осуществления к трансформаторам тока подключают органы формирования ОФ, от которых непрерывно поступает информация о фазе (направлении) тока в каждом присоединении (рис. 7.28). В качестве формирователей используются фильтры симметричных составляющих, промежуточные трансформаторы тока и т. д. Сигналы ОФ поступают на вход органа сравнения фаз ОСФ, который устанавливает режим КЗ в зоне действия защиты или вне защищаемой зоны.

При КЗ на шинах (точка К1) сравниваемые токи примерно совпадают по фазе (рис. 7.28, б). Защита в этом случае срабатывает на отключение выключателей. При внешнем КЗ (точка К2) сдвиг по фазе между током в поврежденном присоединении и токами остальных присоединений будет близок к 180° (рис. 7.28, в) - защита в этом случае не действует.

В дифференциальной защите с торможением использован принцип автоматического увеличения тока срабатывания при возрастании тока КЗ. Это позволило отстроить ее от токов небаланса при мощных внешних КЗ и обеспечить достаточную чувствительность при минимальных режимах. Структурная схема защиты представлена на рис. 7.29. В ней выделены схемы формирования рабочего тока СФРТ и схема формирования тормозного тока СФТТ. Оба тока подаются на вход органа сравнения ОС. Если рабочий ток больше тормозного, срабатывает выходной орган защиты ВО с действием на отключение выключателей присоединений поврежденной системы шин. Если же тормозной ток окажется больше рабочего, защита не сработает.

Защита выполняется на выпрямленном токе.

В качестве рабочего тока используется дифференциальный ток. Для этого геометрически суммируют токи, получаемые от трансформаторов тока и всех присоединений, т. е.

.

Для торможения используют арифметическую сумму (сумму модулей) токов присоединений .

До поступления на вход органа сравнения рабочий и тормозной токи выпрямляются.

Общее замечание по обслуживанию защиты шин. Необходимо помнить, что неправильные операции с защитой шин (вне зависимости от ее вида и принципа действия) могут привести к полному отключению шин подстанции или отказу в действии при КЗ. Поэтому к обслуживанию защиты шин следует относиться с большим вниманием, неуклонно выполняя указания местных инструкций.