Лекция 9. Токовые защиты

Общие сведения. На элементах системы электроэнергетики—генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и электродвигателях—применяются токовые, токовые направленные, дистанционные, дифференциальные защиты, а также максимальные и минимальные защиты напряжения. На этих элементах предусматриваются соответствующие устройства автоматики. Релейная защита и автоматика тесно связаны между собой, дополняют друг друга, взаимно влияют на выбор параметров схемы, имеют общие цепи. Прежде всего, это характерно для релейной защиты и устройств АПВ и АВР.
Особенности защищаемого элемента системы электроэнергетики, безусловно, влияют на схемы защиты и автоматики, на выбор их параметров, но принципы действия этих устройств остаются неизменными. Поэтому, прежде чем приступить к изучению релейной защиты и автоматики отдельных элементов, необходимо познакомиться с принципом действия этих устройств. Токовыми называются защиты с относительной селективностью, реагирующие на ток, проходящий по защищаемому элементу. Токовыми направленными называются защиты также с относительной селективностью, реагирующие на ток и направление (знак) мощности КЗ в месте их включения. Таким образом, вторая защита отличается от первой наличием дополнительного исполнительного органа (ИО), называемого органом направления мощности (ОНМ). Токовые защиты могут использоваться на любых элементах электроэнергетических систем (линиях, двигателях, трансформаторах и т. д.), токовые направленные — на линиях, трансформаторах и в других случаях. В некоторых случаях, например на линиях, обе разновидности защит применяются одновременно, но на разных сторонах защищаемого элемента. В данном случае рассматривается их работа применительно к защитам линий. Защиты могут срабатывать при превышении током в месте их включения заранее установленного значения (максимальные защиты). В общем случае они выполняются со ступенчатыми, плавными (зависимыми) или комбинированными характеристиками выдержки времени i=(l),где 1— расстояние от места включения защиты до точки возникновения КЗ. Для сетей с U_ном≥ З5-110 кВ защиты обычно имеют ступенчатые характеристики i=(1),для сетей более низких напряжений часто используются другие характеристики, создаваемые специальным выполнением органа тока. При U_ном ≤ 35 кВ для ИО тока используются полные токи в двух фазах (для обеспечения отключения при К_дв^(1,1) по возможности только одного места повреждения). В сетях с U_ном≥ 110 кВ защиты преимущественно предназначаются для ликвидации только КЗ на землю (К⁽¹⁾ и К^(1,1)) и выполняются как защиты нулевой последовательности; для них требуются ТА в трех фазах, которые включаются так, чтобы иметь ток в ИО I_р=ЗI_о.Используются иногда схемы с включением ИО на другие симметричные составляющие, а также с дополнительными ИО напряжения.
Типичными являются защиты со ступенчатыми характеристиками i=[(1). Током срабатывания защиты или ее отдельных ступеней I_Зобычно называется минимальный ток в фазах линии, при котором защита (ее ступень) может срабатывать. Действие токовой защиты рассматривается в первую очередь на примере ее применения для радиальной сети с односторонним питанием (рисунок 9.1, а). Устройства защиты включаются только со стороны питания всех элементов и могут действовать на отключение своих выключателей. Примерные характеристики выдержек времени защит 1’, 2’ и З’даны на рисунке 9.1, 6.

Рисунок 9.1- Размещение токовых защит со ступенчатыми выдержками времени в радиальной сети с односторонним питанием (а) и примерный выбор их характеристик выдержек времени

Действие II и III ступеней защиты как резервных для своего участка отмечено на рисунке 9.1, 6 пунктиром. Органы направления мощности могут требоваться, как будет рассмотрено ниже, только у части ступеней. Основными параметрами защит, требующими определения, являются токи срабатывания I_с.зи выдержки времени отдельных ступеней. Ниже они определяются для токовых защит и уточняются для направленных. Определяются также защищаемые зоны и коэффициенты чувствительности отдельных ступеней. Рассмотрение оказывается целесообразным начинать с последних (третьих) ступеней, в частности потому, что они часто используются отдельно — в качестве самостоятельных защит. При включении на полные токи фаз они называются максимальными токовыми защитами, а при дополнении их органами направления мощности — максимальными токовыми направленными защитами. Действие токовой направленной защиты в первую очередь рассматривается на примере ее применения для цепочки одиночных линий с двусторонним питанием (рисунок 9.2). Защиты 1—6,как и выключатели, должны включаться с обеих сторон участков, связывающих подстанции А и Г, имеющие источники питания. Первые две ступени необходимы для защиты всей длины участка, третья — для резервирования отключения КЗ на смежных участках и в зонах действия первых двух ступеней.

Рисунок 9.2 - Цепочка линий с двусторонним питанием

Токовая отсечка без выдержки времени. Селективное действие первой ступени токовой защиты (в дальнейшем первую ступень будем называть токовой отсечкой без выдержки времени или просто отсечкой) достигается тем, что ее ток срабатывания принимается большим максимального тока КЗ, проходящего через защиту при повреждении вне защищаемого элемента. Действие защиты при коротком замыкании обеспечивается благодаря тому, что ток КЗ в сети, а следовательно, и в защите увеличивается по мере приближения места короткого замыкания к источнику питания (рисунок 9.3), причем кривые изменения тока короткого замыкания имеют различную крутизну в зависимости от режима работы системы и вида КЗ (кривые 1 и 2 на рисунке 9.3,а соответственно для максимального и минимального режимов).

Рисунок 9.3 - Выбор тока срабатывания и определение защищаемой
зоны токовой отсечки без выдержки времени на защищаемом участке

Однако в некоторых частных случаях, например, на радиальных линиях, питающих один трансформатор (рисунок 9.3,б), с помощью токовой отсечки можно защитить всю линию, если допустить ее срабатывание при повреждении в трансформаторе. Токовые отсечки используют также на линиях с двусторонним питанием. В этом случае они устанавливаются с обеих сторон защищаемой линии (защиты А1 и А2на рисунке 9.4, а).

Рисунок 9.4 - Выбор тока срабатывания
токовых отсечек без выдержки времени на линии с двусторонним питанием

Кривые 1 и 2 (рисунок 9.4,б) показывают изменение максимальных токов к.з. соответственно от источников Аи Б при перемещении короткого замыкания вдоль защищаемой линии. Токи срабатывания отсечек должны быть выбраны таким образом, чтобы при внешних коротких замыканиях (точки К_А и К_Б), защиты не действовали.

Токовая отсечка с выдержкой времени. Основной недостаток токовой отсечки без выдержки времени состоит в том,что она защищает только часть линии. Участок в конце линии за пределами зоны l¹ остается незащищенным. На рисунке 9.5 показана схема сети с двумя последовательно соединенными участками АБ и БВ, для защиты которых установлены токовые отсечки без выдержки времени А¹₁ и A¹₂с токами срабатывания I¹ с.з _A1 и I¹ с.з _A2. Отсечки имеют защищаемые зоны соответственно l¹_A1и l¹_A2, которые охватывают только часть линий. Участки l¹и l^II вконце линий за пределами зон l¹_A1и l¹_A2 остаются незащищенными.

Рисунок 9.5 -Защищаемые зоны и время действия токовой защиты

Третья ступень токовой защиты, которую принято называть мак­симальной токовой защитой, может выполняться с независимой и с ограниченно зависимой характеристиками времени срабатыва­ния. И в том, и в другом случае селективность защиты можно обес­печить, если время срабатывания t₁'" защиты AI(рисунок 9.6), рас­положенной у источника питания, при коротком замыкании в точке К₂на смежном участке в зоне действия защиты А2(линия БВ) больше максимальной выдержки времени t₂'" защиты А2на сту­пень селективности Δt=0,3...0,5 с. Если для защиты используют реле РТВ, то ступень селективности увеличивают до 1 с.

Рисунок 9.6 - Размещение макси-мальных токовых защит в радиальной сети с односторонним питанием

Рисунок 9.7-Согласование характе-ристик максимальных токовых защит с независимой выдержкой времени

Выдержки времени у максимальных токовых защит выбирают по ступенчатому принципу: начинают выбор с наиболее удаленно­го от источника питания элемента и по мере приближения к источ­нику питания увеличивают ее таким образом, что защита после­дующего участка имеет выдержку времени на ступень селективно­сти больше, чем максимальная выдержка времени защиты преды­дущего участка (рисунок 9.7):

t₃^III=t₄^III + Δt; t₂ ^III=t₃ ^III + Δt; t₁ ^III=t₂ ^III + Δt;

Литература1осн[193-201, 208-214], 2 осн[58-77]. Контрольные вопросы: 1. Что такое ток срабатывания защиты? 2. Что такое максимальная токовая защита? 3. Объясните принцип токовой отсечки. 4. Объясните принцип токовой ступенчатой защиты. 5. Как обеспечивается селективность в токовых ступенчатых защитах?