Принципиальные схемы МТНЗ на постоянном оперативном токе, схемы МТНЗ с применением микропроцессорных защит.

Ответ: На рис.4.2 приведена структурная схема трехфазной МТЗ с независимой от тока выдержкой времени, характеризующая общие принципы выполнения МТЗ при любой используемой элементной базе.

Измерительная часть МТЗ 1 состоит из измерительных органов ИО (в данном случае токовых реле КА мгновенного действия). В трехфазной схеме ИО предусматриваются на каждой фазе, они питаются вторичными токами соответствующих фаз ТТ, соединенных по схеме звезды.

Логическая часть 2 состоит из логического элемента (ЛЭ), выполняющего функцию ИЛИ (DW), органа времениКТ (обычно одного на три фазы), создающего выдержку времени t, сигнального реле КН.

Исполнительный орган 3, выполняемый посредством выходного промежуточного реле KL, или тиристорной схемы, срабатывая, передает команду на отключение выключателя Q. Исполнительный орган должен обладать мощным выходным сигналом, достаточным для приведения в действие электромагнита отключения (ЭО) YAТ привода выключателя.

При возникновении повреждения на защищаемой линии срабатывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток КЗ. При этом у электромеханических реле замыкаются контакты, у статических – появляется выходное напряжение (сигнал) соответствующего уровня (логическая 1 или логический 0).

Сработавшие ИО воздействуют через логический элемент ИЛИ на орган времени КТ, который по истечении заданной выдержки времени выдает сигнал, приводящий в действие исполнительный орган KL. Последний срабатывает и подает напряжение от источника оперативного тока в электромагнит отключения выключателя YAT. После отключения повреждения ток короткого замыкания прекращается, измерительные органы и все элементы РЗ возвращаются в исходное состояние. Для успешного размыкания тока, проходящего по ЭО (YAT),контактами промежуточного реле KLпосле отключения КЗ в цепи отключения на приводе выключателя предусматривается блокировочный вспомогательный контакт (БК) SQ. При включенном выключателе SQзамкнут (рис.4.3, б и в) и размыкается при отключении выключателя Q, разрывая цепь тока электромагнита отключения YAT.

В схеме с выходным промежуточным реле размыкание цепи тока, питающего электромагнит отключения с помощью SQ, необходимо, поскольку контакты промежуточного реле KLне рассчитываются на разрыв относительно большого тока электромагнита отключения YAT. При тиристорной схеме отключения выключателя, для прекращения тока в цепи YAT,также необходимо использовать БК, так как тиристор не может закрыться сам при исчезновении открывшего его сигнала.

Время действия рассмотренной МТЗ определяется выдержкой времени, установленной на реле времени КТ, и не зависит от значения тока КЗ, поэтому такая РЗ называется защитой с независимой выдержкой времени и имеет характеристику t = f(Iр) в виде прямой линии 1 на рис.4.1, в.

Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном токе. Схемы на электромеханических реле. На рис.4.3 приведена трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханических реле, которые пока еще преобладают в электрических сетях нашей страны. Построение схемы и все ее элементы соответствуют структурной схеме (см. рис.4.2). Три измерительных органа (рис.4.3, а) выполняются с помощью трех реле РТ-40, орган времени – с помощью реле типа РВ-100, исполнительный элемент – посредством промежуточного реле типов РП-20, РП-16 или других промежуточных реле, контакты которых рассчитаны на ток электромагнита отключения выключателя. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита действует при всех видах КЗ. В случае недостаточного значения тока при К(1) в нулевой провод включается реле КА0(на схеме оно не показано), чувствительность которого выше, чем у реле КАфв фазах, так как КА0не надо отстраивать от Iнагр mах. Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание оперативных цепей защиты осуществляется постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электромагнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфазные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями (в России это сети 110кВ и выше).

Схемы на интегральных микроэлементах. На рис.4.4 в качестве примера приведена принципиальная схема трехфазной МТЗ (одна из возможных), построенная на ИМС. Рассматривается вариант трехфазной схемы в односистемном исполнении, при котором вместо трех ИО тока (реле тока) устанавливается один орган, реагирующий на все виды КЗ. Такое исполнение защиты уменьшает количество измерительных реле, что упрощает схему. Как уже отмечалось в §2.14, полупроводниковый ИО тока (реле тока) имеет три узла: входной узел (ВУ), преобразующий входной сигнал; узел сравнения (УС), сравнивающий его с заданной величиной (уставкой срабатывания); узел выхода (УВ), формирующий выходной сигнал ИО достаточного уровня, воздействующий на элементы логической части защиты.

Входной узел получает сигналы в виде синусоидальных мгновенных значений токов трех фаз iA,iB,iCот измерительных ТТ защищаемого объекта. Эти токи промышленной частоты с помощью трех промежуточных ТТ LTAA,LTAB,LTACпреобразуются в токи заданного уровня и поступают соответственно на вход выпрямительных мостов VSA,VSB,VSC,которые превращают переменный ток ПТТ в выпрямленный ток постоянного знака. Чтобы обеспечить действие реле тока односистемной МТЗ при всех видах КЗ, выходы трех выпрямительных мостов соединяются между собой последовательно (рис.4.4, а), образуя общую цепь выпрямленного тока, замкнутую на выходной резистор Rвых. При таком исполнении схема входного блока работает как максиселектор. На выходном резисторе схемы (Rвых) выделяется один выходной сигнал ВУ в виде напряжения (uRвых = iвых maxRвых), соответствующий наибольшему из мгновенных токов фаз, поступающих на вход узла. Мгновенное значение выпрямленного тока iвых max,протекающего по Rвых, определяется входным током iвх и ему пропорционально. В качестве примера проследим, как проходит ток по выходной цепи выпрямителей VSA, VSB, VSCпри трехфазном КЗ. Допустим, что в данный момент из трех входных мгновенных токов большим является ток положительной полуволны iA. В этом случае мост будет работать в режиме N(два диода открыты положительным током, два других заперты), а четыре диода каждого моста с меньшими токами VSBи VSCпод действием большего выпрямленного тока (ivsa) будут открыты (работают в режиме А). С учетом этого выпрямленный ток + ivsa, проходя через свой выпрямитель, открывает диоды мостов VSBи VSC,замыкается через них, через резистор Rвых и возвращается вVSA.При этом меньшие токи замыкаются по открытым диодам своих мостов, не выходя за их пределы, а на зажимах Rвых появляется напряжение uRвых = ivsaRвых,которое поступает на узел сравнения.

Узел сравнения ИО на рис. 4.4, а построен на времяимпульсном принципе *1. Устройство и принцип работы подобных ИО рассмотрены в гл. 2, поэтому ниже дается краткое описание работы в схеме МТЗ. В состав узла сравнения, выполняемого по указанному принципу, входят:

пороговое устройство А1, построенное на ОУ с постоянным опорным напряжением положительного знака Uоп на H-входе усилителя;

времясравнивающая цепочка, образованная резисторами R5-R6, конденсатором С1 и двухсторонним стабилизатором VD8;

второе пороговое устройство А2, выполненное по схеме триггера на ОУ с положительной обратной связью (UOC= Uв), поступающей на H-вход по резистору R9. Работа триггера определяется значением и знаком напряжения на инвертирующем входе, поступающем с конденсатора C1(UC1).

Работа схемы.В нормальном режиме, когда по защищаемому объекту проходят токи нагрузки, мгновенное значение выпрямленного напряжения (uRвых), поступающего с выходного узла УВ на И-вход А1, меньше UопA1.При этом входное напряжение А1 (и – Uоп1) имеет отрицательную полярность, поэтому на выходе А1 устанавливается напряжение UвыхA1,положительное по знаку (противоположное знаку входного сигнала) и наибольшее по значению 12-13 В (при Еп = ± 15 В), поскольку при отсутствии обратной связи ОУ работает в насыщенной части выходной характеристики (см. гл. 2). Под действием этого напряжения через резистор R5 происходит заряд конденсатора C1 до наибольшего положительного напряжения + UC1, ограниченного стабилитроном VD8. При положительном напряжении на И-входе А2 его выходное напряжение имеет отрицательное наибольшее для ОУ значение. В этом режиме орган тока не работает, так как при отрицательном напряжении диод VD5 открыт и транзистор VT1 выходного узла заперт и сигнал на пуск логической схемы (рис.4.4, б) отсутствует (элемент времени КТ и реле KL).

При КЗ в сети защищаемого объекта мгновенное выпрямленное напряжение uRвыхстановится больше UопA1на время, пока и > иопА1;напряжение на входе ОУ (uRвых – UопA1)изменяет свой знак (с "–" на "+"), А1 переключается и на его выходе появляется максимальное напряжение отрицательного знака (–UвыхА1).Под действием напряжения отрицательного знака конденсатор С1 по резисторам R5 и R6 (диод VDзакрыт) перезаряжается, напряжение UC1уменьшается, и после прохождения через нулевое значение UC1становится отрицательным и начинает увеличиваться по абсолютному значению. Через некоторое (заданное) время tпнапряжение на конденсаторе будет —UC1, а следовательно, и на И-входе А2 достигнет уровня, при котором А2переключится и на его выходе появится максимальное положительное напряжение UвыхА2.Под действием этого напряжения диод VD5 выходного узла запирается, тогда на базе VT1 появляется положительный сигнал – транзистор Т1 открывается, и выходной узел ИО МТЗ передает на логическую схему команду на срабатывание. Элемент времени КТ (рис.4.4, б) срабатывает с заданной выдержкой времени, промежуточное реле KL2 замыкает контакты и посылает импульс на отключение выключателя защищаемого объекта. После отключения КЗ входной ток, а следовательно, и напряжение uRвых снижаются и становятся меньше опорного напряжения А1 – ИО тока и логические элементы МТЗ возвращаются в исходное состояние.

В качестве ИО используется реле тока типа РСТ-13 или реле типа ТО111, входящее в комплект устройств ЯРЭ-2201, предназначенных для выполнения РЗ в КРУ 6-10 кВ. Для создания выдержки времени в рассматриваемой схеме могут использоваться статическое реле времени из комплекта ЯРЭ-2201 типа ВО200 с регулировкой времени от 0,2 до 12 с или реле РВ-01 с регулировкой времени от 0,1 до 10 с. В качестве промежуточных реле применяются малогабаритные реле типа РП-13 и реле с магнитоуправляемыми контактами типа РПГ-5.

Защита с зависимой характеристикой.Наряду с независимой применяется МТЗ с зависимой и ограниченно зависимой характеристиками (кривые 2 и 3 на рис.4.1, в). Оба вида зависимых МТЗ выполняются при помощи токовых реле, работающих не мгновенно, а с выдержкой времени, зависящей от значения тока. В схеме зависимой МТЗ на рис.4.2, г, кроме реле времени, отсутствуют промежуточное и указательное реле, так как реле типов РТ-80 и РТ-90 имеют контакты достаточной мощности и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле. Статические ИО тока использованы в МТЗ с зависимой характеристикой в устройстве типа ЯРЭ-2201, выпускаемом ЧЭАЗ.

В отличие от РЗ с независимой характеристикой (прямая 1 на рис.4.1, в) МТЗ с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3) действуют при токах Iр= (1-2)Iс.з со значительно большей выдержкой времени, чем при КЗ, что улучшает отстройку РЗ от кратковременных перегрузок (Iп).

Защиты с зависимой характеристикой позволяют также ускорить отключение при повреждении в начале ЛЭП (точка К1 на рис.4.1, г). Однако согласование выдержек времени независимых МТЗ значительно проще (см. §4.5).

Трехфазные схемы МТЗ, приведенные на рис.4.3, в, г,реагируют на все виды КЗ, включая и однофазные, и поэтому их можно применять в сети с глухозаземленной нейтралью, где возможны как междуфазные, так и однофазные КЗ.

Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе.В случае, когда МТЗ должна действовать только при междуфазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или одним токовым реле.

Двухрелейная схема с независимой характеристикой (рис.4.5, а, б). Токовые цепи МТЗ выполняются по схеме неполной звезды (см. §3.6). Достоинством двухрелейной схемы является то, что она, реагируя на все междуфазные КЗ, экономичнее трехфазной схемы (два ТТ и реле вместо трех).

К недостаткам двухфазной схемы с двумя реле нужно отнести ее меньшую чувствительность (по сравнению с трехфазной схемой) при двухфазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ (см. рис.3.18). При необходимости чувствительность двухфазной схемы можно повысить, установив третье токовое реле в общем проводе токовых цепей. В этом проводе (см. §3.6) протекает геометрическая сумма токов двух фаз, питающих схему, равная току третьей (отсутствующей в схеме) фазы В. Сдополнительным реле двухфазная схема становится по чувствительности равноценной трехфазной. Двухфазные схемы широко применяются в сетях с изолированной нейтралью, где возможны только междуфазные КЗ. Двухфазные схемы применяются в качестве МТЗ от междуфазных КЗ и в сетях с глухозаземленной нейтралью. При этом для отключения однофазных КЗ устанавливается дополнительная МТЗ, реагирующая на ток НП.

Однорелейная схема(рис.4.5, в, г). Защита состоит из тех же элементов, что и предыдущая схема, но выполняется одним токовым реле КА, которое включается на разность токов двух фаз Ip = Ia– Icи реагирует на все случаи междуфазных КЗ.

К недостаткам, ограничивающим применение схемы, нужно отнести меньшую чувствительность по сравнению с двухрелейной схемой при КЗ между фазами АВ и ВС;недействие МТЗ при одном из трех возможных случаев двухфазного КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ (см. §3.6) когда Ip = Ia– Ic= 0.

Однорелейная схема находит применение в распределительных сетях 6-10 кВ, питающих трансформаторы с соединением обмоток y/y и для РЗ электродвигателей.

Двухфазная защита с зависимой характеристикой.Токовые цепи этой МТЗ выполняются так же, как и РЗ с независимой характеристикой (рис.4.5, а,в). В качестве реле тока с зависимой характеристикой выдержки времени в отечественных схемах используются реле типов РТ-80 и РТ-90. Схемы оперативных цепей МТЗ аналогичны схемам на рис.4.5, б, г за исключением того, что в них отсутствуют реле времени (КТ).

Принцип действия продольной дифференциальной защиты линий. Выбор параметров срабатывания. Расчет тока небаланса, коэффициента чувствительности Способы повышения коэффициента чувствительности.

Ответ:Продольная дифференциальная защита линий применяется в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие и абсолютная селективность при КЗ в любой точке линии. Продольной дифференциальной защитой называют защиту, в измерительном органе (ИО) которой непосредственно сравниваются электрические данные, собранные со всех концов защищаемого элемента. Для протяженных элементов (ЛЭП) в зависимости от их длины применяют кабельные линии связи (до 10 км) или высокочастотные каналы связи.

На рис. 6.12 показан принцип действия продольной дифференциальной защиты линий. Трансформаторы тока, установленные по концам защищаемой линии, включаются между собой через линию связи и токовое дифференциальное реле КА,включенное на разность токов. При нагрузке или внешнем КЗ в точке К1 токи и через реле равны по величине и направлены встречно. В данном случае без учета погрешностей ТТ результирующий ток в реле и защита не работает. При КЗ в зоне действия (между ТТ) ток меняет свое направление (или будет равен нулю при одностороннем питании). Результирующий ток в реле равен сумме токов. Если его величина превысит порог срабатывания реле, то защита сработает и отключит линию со всех сторон.

Ток срабатывания защиты выбирают по условию отстройки от тока небаланса.

Чувствительность защиты определяется минимальным током в измерительном органе при КЗ в защищаемой зоне:

В случае если измерительных органов два (по одному на каждой подстанции), то значение тока делят на два.

Чувствительность защиты, как правило, оказывается недостаточной. Поэтому в реальных защитах применяют ИО, представляющие собой реле с быстронасыщающимися трансформаторами и тормозными обмотками по аналогии дифференциальной защиты трансформатора.

На рис. 6.12 показана однолинейная схема линии связи с одной парой проводов. Для передачи сигналов трехфазной сети потребуется минимум четыре провода. Сопротивление проводов линии связи оказывается намного больше допустимого для ТТ по условию 10%-й погрешности. Поэтому продольная дифференциальная защита, например, типа ДЗЛ-2, намного сложней. Для получения одного информационного сигнала от трехфазных ТТ каждый полукомплект защиты состоит из комбинированного фильтра токов прямой и обратной последовательностей ( ). Такое исполнение защиты позволило использовать только одну пару проводов линии связи. Для уменьшения влияния сопротивления проводов линии связи она включается к ТТ через изолирующие трансформаторы с коэффициентом трансформации . При этом сопротивление проводов, приведенное к стороне ТТ, уменьшается в раз.

Рис. 6.12. Принцип действия продольной дифференциальной защиты линий. Пунктирной линией показано направление токов при внешнем КЗ (точка К1),
сплошной – при КЗ в зоне действия дифференциальной защиты

При обрыве провода в линии связи защита ложно срабатывает от тока нагрузки или внешнего КЗ. Поэтому для контроля исправности линии по проводам пропускается постоянный ток и в случае его исчезновения при обрыве провода продольная дифференциальная защита автоматически блокируется.

Очевидно, что иметь только одну дифференциальную защиту по условию надежности недостаточно. Это объясняется и тем, что дифференциальная защита не может резервировать защиты смежных линий или шин подстанции. Поэтому с основной дифференциальной защитой обязательно предусматривается установка резервной защиты с относительной селективностью, например, МТЗ или ДЗ.

Защита типа ДЗЛ и аналогичные ей цифровые продольные дифференциальные защиты применяются на коротких линиях 110–220 кВ длиной до 20 км. В настоящее время используются оптоволоконные каналы связи.