Раздел 7. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

Наиболее распространенной защитой от коротких замыканий в линиях, трансформаторах, двигателях, генераторах сельских электрических сетей являются токовые защиты: максимальная токовая защита (МТЗ) и отсечка.

Максимальная токовая защита включает пусковой орган (реле тока) и орган выдержки времени (реле времени). Для реле РТ (ИТ)-80(90) и РТВ оба органа объединены в одно реле.

Ток срабатывания МТЗ выбирается по трем условиям: отстройки от максимального рабочего тока, от надежного срабатывания электромагнита, от согласования с предыдущей защитой.

Ток срабатывания МТЗ из условия отстройки от максимального рабочего тока:

где К_н – коэффициент надежности, учитывающий погрешности реле (для реле типа РТ-40 и РТ-80 К_н = 1,2, для реле РТМ и РТВ К_н = 1,3…1,4); К_в – коэффициент возврата реле (для реле РТ-40 и РТ-80 К_в = 0,8…0,85, для реле РТВ К_в = 0,6…0,7); К_сзп – коэффициент самозапуска, учитывающий возрастание тока за счет пусковых токов электродвигателей (для линий 10 кВ сельских районов К_сзп = 1,2…1,3); I_{раб max} – максимальный рабочий ток защищаемого элемента; К⁽³⁾_сх – коэффициент схемы при симметричном режиме. Для схем соединения трансформаторов тока в полную и неполную звезду К⁽³⁾_сх = 1; при включении реле на разность токов двух фаз А и С К⁽³⁾_сх = К⁽²⁾_схАС = 2; К⁽²⁾_{схАВ, ВС} = 1; К_тт – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Из условия надежного срабатывания электромагнита отключения с током срабатывания 5 А (I_срзо = 5 А).

I_с.р = (К_нI_с.р.эо + I_ном) = 6 А.

где К_н – коэффициент надежного срабатывания электромагнита отключения.

Из условия согласования с предыдущей защитой по чувствительности:

I_сз = К_нс[I_{сз пред} + (I_{раб max} – I_{раб max пред})],

где К_нс – коэффициент надежности согласования смежных защит по чувствительности.

При выполнении МТЗ на реле типа РТ-40 и РТ-85 К_нс = 1,3, на реле типа РТВ К_нс = 1,5.

I_{сз.пред} – ток срабатывания предыдущей защиты;

I_{раб max пред} – максимальный рабочий ток в месте установки предыдущей защиты.

Ток уставки реле (I_у.р) выбирается по бóльшему значению I_с.з из приведенных трех (I_сзп, I_ср, I_сз).

Чувствительность МТЗ оценивается коэффициентом чувствительности

где I_{к min} – минимальное значение тока к.з. (в конце защищаемого участка или в конце зоны резервировании) при заданном виде к.з (для сельских сетей 10 кВ – двухфазном к.з.); К⁽³⁾_сх – коэффициент схемы соединения трансформатора тока.

Нормируемые значения К_ч для основной зоны – 1,5, для резервирования – 1,2.

Выдержка времени МТЗ определяется по ступенчатому принципу, обеспечивающему селективность защиты:

t_{сз n} = t_n–1 + Δt,

где t_n–1 – время срабатывания МТЗ на предыдущем элементе сети; Δt – ступень выдержки времени, зависящая от типа реле: 0,5 с – для РТ-40; 0,6…0,7 с – для РТ (ИТ)-85(95); 0,7…1 с – для РТВ.

Токовая отсечка срабатывает без выдержки времени, ток ее срабатывания I_сотс выбирают исходя из условия отстройки от максимальных токов к.з. при внешних к.з.; для отсечки силового трансформатора также необходима отстройка от бросков тока намагничивания трансформатора при включении его в сеть.

Поэтому

I_с.отс > К'_нI_к.внеш,

I_с.отс > (3…4)I_н.т,

где К'_н – коэффициент надежности, учитывающий точность расчета тока к.з. и точность срабатывания реле для реле РТ-40 и РТ (ИТ)-85(95) К_н = 1,2…1,3; для реле РТМ и РТВ К_н = 1,5…1,6; I_к.внеш – трехфазное к.з. в точке непосредственно за защищаемым элементом; I_н.т – номинальный ток трансформатора.

Принцип выбора тока срабатывания отсечки обеспечивает абсолютную селективность защиты.

Коэффициент чувствительности отсечки определяется по формуле

и должен быть равен или больше 2.

Задача 7.1

Рассчитать максимальную токовую защиту линии 10 кВ (рис. 7.1). Максимальный рабочий ток на ВЛ-10 кВ – 70 А. Величина токов к.з. в конце ВЛ-10 кВ: I⁽³⁾_{к max} = 4,9 кА; I⁽³⁾_{к min} = 2,13 кА.

Рис. 7.1. Схема воздушной линии 10 кВ

Рис. 7.2. Принципиальная схема защиты

Выбираем схему МТЗ: двухфазная, двухрелейная, реле РТ-85, дешунтирующих при срабатывании электромагнит отключения выключателя (рис. 7.2).

Определяем ток срабатывания защиты из условия отстройки от максимального тока нагрузки.

А.

Ток срабатывания реле РТ-85

А,

где n_тт = 150/5 – коэффициент трансформации трансформаторов тока, устанавливаемых на линии (приложение 42).

Из условия надежного срабатывания электромагнита отключения с током срабатывания 5 А:

I_с.р = (К_нI_ср.зо + I_ном) = 6 А.

Принимаем ток уставки реле РТ-85/1, равным 6 А. Тогда уточненное значение тока срабатывания защиты (с учетом выбранной уставки)

А.

Коэффициент чувствительности защиты в основной зоне

Время срабатывания защиты выбирается из условия обеспечения ступени выдержки времени Δt с предыдущей защитой самого мощного в линии трансформатора. Так как предыдущей защитой являются предохранители ТП 10/0,4 кВ, то селективность обеспечивается, если удовлетворяется условие:

I_с.з > 1,4I_пл.

Из кривых t_пл = f (I) для предохранителей типа ПКТ-10 (приложение 43) следует, что приведенное условие удовлетворяется для всего диапазона мощностей ТП, принимаемых в сельском хозяйстве. Для предохранителей типа ПКТ-10 и ПКИ-10 условие удовлетворяется для ТП с мощностью трансформаторов до 400 кВ∙А.

Принимаем уставку выдержки времени реле РТ-85/1, равной t_у = 0,6 с.

Проверка трансформатора тока:

по условию обеспечения надежной работы дешунтирующих контактов реле РТ-85/с:

I_In > 0,03I⁽³⁾_{к max}.

Так как 150 > 0,03 ∙ 4900 = 147, то условие удовлетворяется.

Проверка на 10 % погрешность.

Предельная кратность токов

По кривой предельных кратностей для трансформаторов тока ТЛМ-10 (приложение 44) с n_тт = 150/5 при К₁₀ = 6 определяем допустимую вторичную нагрузку на ТТ – Z_доп = 2,5 Ом;

Расчетная (фактическая нагрузка на ТТ составляет:

Z_{н расч} = 2r_пр + Z_р + r_пер = 2 ∙ 0,07 + 0,28 + 0,1 = 0,52 Ом [5],

где – сопротивление алюминиевых проводов длиной l = 10 м и сечением q = 4 мм²; – сопротивление реле РТ-85/1 при токе уставки I_у = 6 А; r_пер – сопротивление контактов, равное 0,1 Ом.

Так как Z_{н доп} > Z_{н расч} – требуемая точность работы ТТ обеспечивается.

Задача 7.2

Рассчитать максимальную токовую защиту шин 10 кВ подстанции 110/10 кВ (рис. 7.3), установленную на секционном выключателе. Количество отходящих линий 5. Токи срабатывания защит линий равны 120 А. Значения токов к.з. на шинах 10 кВ: I⁽³⁾_{к max} = 2,84 кА; I⁽²⁾_{к min} = 1,69 кА. Расчетная нагрузка на шинах 10 кВ составляет 5000 кВ∙А. Время срабатывания МТЗ линий 0,6 с.

Рис. 7.3. Схема трансформаторной подстанции 110/10 кВ

Схема МТЗ: двухфазная, двухрелейная с применением РТ-85, дешунтирующих электромагнит отключения выключателя.

Токи срабатывания защиты:

из условия отстройки от максимального тока нагрузки находим по формуле

из условия согласования с предыдущей защитой по чувствительности определим из выражения

Ток срабатывания защиты принимаем, равным 306,3 А.

Ток срабатывания реле находим по формуле

из условия надежного срабатывания электромагнита отключения с током срабатывания 5 А:

I_с.р = (К_нI_ср.зо + I_ном) = 6 А.

Ток уставки реле

I_у > I_ср.

Выбираем I_у = 8 А из гостированного ряда [4].

Ток срабатывания защиты с учетом I_у:

Коэффициент чувствительности защиты в основной зоне:

Выбор и согласование времени срабатывания МТЗ с зависимыми характеристиками производится путем построения карты селективности. Согласование проводится при максимальном токе к.з. на шинах 10 кВ, так как при этом токе обе защиты (В и СВ) (см. рис. 7.3) работают в независимой части характеристик (I_{к max}/I_сз = 2840/320 > 5), то время срабатывания МТЗ шин определим следующим образом:

t_сз(св) = t_сз(в) + Δt = 0,6 + 0,6 = 1,2 с.

Уставка выдержки времени реле РТ-85 принимается равной 1,2 с.

Проверка трансформатора тока:

по условию обеспечения надежной работы дешунтирующх контактов реле РТ-85

I_1н > 0,03I⁽³⁾_max;

200 > 0,03 ∙ 2840 = 85,2,

т.е. условие выполняется;

расчетная проверка на 10%-ю погрешность.

Предельная кратность

Допустимая вторичная нагрузка трансформаторов тока:

Z_доп = 1,7 Ом.

Принимаем расчетную нагрузку трансформаторов Z_{н расч} = 0,4 Ом.

Так как Z_доп > Z_{н расч}, то требуемая точность работы ТТ обеспечивается.

Задача 7.3

Рассчитать токовую отсечку силового трансформатора на двухтрансформаторной подстанции 110/10 кВ. Мощность установленных трансформаторов – 2500 кВ∙А. Токи срабатывания МТЗ ввода 110 кВ – 10,4 А. Токи к.з. на шинах 10 кВ и 110 кВ – I⁽³⁾_{к10 max} = 4900 А; I⁽³⁾_{к10 min} = 2130 А; I⁽³⁾_{к110 max} = 4130 А; I⁽³⁾_{к110 min} = 1790 А.

Схема выполнения отсечки: неполная звезда с реле типа РТ-85.

Находим ток срабатывания отсечки:

из условия отстройки от максимального тока к.з. за трансформатором:

I_co > К_пI⁽³⁾_{к10 max} ∙ 10/100 = 1,6 ∙ 4900 ∙ 10/100 = 712,7 А;

из условия отстройки от бросков тока намагничивания при включении силового трансформатора под напряжением

Определим кратность тока срабатывания отсечки для реле РТ-85

К_отс = I_с.о / I_{ср МТЗ} = 712,7 / 104 = 6,85.

Примем К_{отс.уст} = 7. Тогда уточненное значение тока срабатывания отсечки:

I_со = К_{отс.уст}I_ср.МТЗ = 7 ∙ 104 = 728 А.

Коэффициент чувствительности отсечки

Так как К_ч.отс > 2 [2], то для защиты трансформатора может быть применена токовая отсечка.

Задача 7.4

Построить карту селективности максимальных токовых защит для электрической схемы, изображенной на рис. 7.4, если максимальный ток к.з. на шинах 10 кВ I⁽³⁾_{к max} = 2840 А.

Рис. 7.4. Схема электрической сети

Выключатель отходящей ВЛ-10 кВ. МТЗ выполнена с помощью реле РТ-85, I_сз(в) = 120 А (на схеме 1).

Секционирующий выключатель шины 10 кВ. МТЗ выполнена с помощью РТ-85, I_сз(св) = 320 А (на схеме 2).

Выключатель ввода 10 кВ (на схеме 3).

Короткозамыкатель и отделитель.

МТЗ трансформатора двухступенчатая, устанавливаем на стороне 35 кВ и действующая с первой выдержкой времени на отключение выключателя ввода 10 кВ, а со второй – на включение короткозамыкателя. Используемые реле: РТ-40, РВМ-12, РП-321. Ток срабатывания защиты на стороне 35 кВ – I_сз(35) = 277 А.

Определяем уставку выдержки времени защиты 1.

Время срабатывания защиты выбирается из условия обеспечения ступени селективности (Δt) с предыдущей защитой [2]. Так как предыдущей защитой являются предохранители ТП 10/0,4 кВ, то селективность обеспечивается, если удовлетворяется условие:

I_с.з > 1,4I_пл.

Из кривых t_пл = f(I) (приложение 44) для предохранителей типа ПСН-10 следует, что приведенное условие удовлетворяется для всего диапазона мощностей ТП, применяемых в сельском хозяйстве. Для предохранителей типа ПКТ-10 и ПКИ-10 условие удовлетворяется для ТП с мощностью трансформаторов до 400 кВ·А.

Принимаем выдержку времени защиты 1, равной t_у = 0,6 с.

Определяем уставку выдержки времени защиты 2.

Согласование защит секционного выключателя и линий 10 кВ производится при максимальном токе к.з. на шинах 10 кВ. Так как при этом токе I⁽³⁾_{к max} обе защиты работают в независимой части характеристик, то время срабатывания МТЗ секционного выключателя находится как

t_сз(св) = t_сз(л) + Δt = 0,6 + 0,6 = 1,2 c.

Определяем уставку выдержки времени защиты 3.

Определим ток срабатывания защиты трансформатора, приведенный к стороне 10 кВ.

Ток согласования защиты 2 и 3

I_согл = I"_сз(35) = 971 А.

При этом токе защита 2 работает в зависимой части характеристики, поэтому для определения времени срабатывания защиты 2 при этом токе определяем кратность тока для защиты 2, %:

По кривой t = f(К %) для уставки t_у = 1,2 получим t_сз(св) = 1,4 при токе 971 А.

Тогда время срабатывания защиты 3

t_сз(10) = t_сз(св) + Δt = 1,4 + 0,8 = 2,2 c.

Определяем уставку выдержки времени защиты 4.

Так как МТЗ трансформатора двухступенчатая, действующая с первой выдержкой времени на отключение выключателя ввода 10 кВ, а со второй – на включение короткозамыкателя и используемое реле РТ-40, РВМ-12, РП-321, то выдержка времени защиты 4

t_сз(10) = t_сз(св) + Δt = 2,2 + 0,5 = 2,7 c.

Построение карты селективности

По найденным точкам I_с.з, t_с.з находим типовые ампер-секундные характеристики для защит и строим карту селективности (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Карта селективности действия защит