Схемы соединения измерительных преобразователей тока и цепей тока вторичных измерительных органов.

В зависимости от назначения защиты и предъявляемых к ней требований применяются следующие схемы соединения измерительных преобразователей и цепей тока измерительных органов:

трехфазная схема соединения в полную звезду;

двухфазная двух- и трехрелейная схема соединения в неполную звезду;

трехфазная схема соединения ТА в полный треугольник, а измерительных органов —в полную звезду;

двухфазная однорелейная схема соединения в неполный треугольник (на разность токов двух фаз).

Во всех этих схемах измерительные органы включают на полные токи фаз. Распространение получили также схемы включения на составляющие токов нулевой и обратной последовательности. В этих схемах реле подключается к рассмотренным выше (см. 9.2) фильтрам тока нулевой и обратной последовательностей. В схемах с включением реле на полные токи фаз токи в реле I_р в общем случае отличаются от вторичных фазных токов I_2ф измерительных преобразователей. Это отличие характеризуется коэффициентом схемы k_сх^(m)=I_p/I_2ф, который может зависеть от режима работы защищаемого элемента. Если ток I_2ф выразить через первичный ток I_1ф и коэффициент трансформации K_I измерительного преобразователя, то k_сх^(m)=I_РK_Iф/I_1ф. Это соотношение справедливо также для тока срабатывания реле I_с.р и тока срабатывания защиты I_с.з, т. е. k_сх^(m)=I_с.рK_I/I_с.з. При определении токов срабатывания обычно рассматривается симметричный режим. В этом случае коэффициент схемы обозначают как k_сх⁽³⁾. Чувствительность токовых защит характеризует коэффициент чувствительности k_ч^(m) под которым понимают (см. 3.2) отношение тока в реле при металлическом коротком замыкании в конце защищаемой зоны к току срабатывания реле, причем рассматривается к.з. вида m, при котором ток в реле имеет минимальное значение, т. е. k_ч^(m)=I_{p min}^(m)/I_с.р. Коэффициент чувствительности k_ч^(m) можно выразить через минимальный ток повреждения I_{к min}^(m), ток срабатывания защиты I_сз и соответствующие коэффициенты схем k_ч^(m) и k_сх⁽³⁾:

k_ч^(m)=k_сх^(m)I_{к min}^(m)/(k_сх⁽³⁾I_с.з). (8.1)

Полная погрешность трансформаторов тока в схемах релейной защиты не должна превышать допустимого значения (см. 6.2). Погрешность определяется, в частности, величиной вторичной нагрузки, которая для каждой схемы соединения зависит от вида короткого замыкания. С увеличением вторичной нагрузки погрешность трансформатора тока возрастает. Поэтому погрешности трансформатора тока не должны превышать допустимого значения при том виде к.з., при котором его нагрузка максимальна. В общем случае сопротивление вторичной нагрузки Z_н = U₂/I₂, где U₂ — напряжение на выводах вторичной обмотки, а I₂ — вторичный ток трансформатора. Расчет вторичных нагрузок для различных схем дан в [13, 55].

Трехфазная схема с соединением трансформаторов тока и реле в полную звезду. Для выполнения схемы (рис. 8.2, а) необходимы три реле и три трансформатора тока,

Рис. 8.2. Схема соединения трансформаторов тока и реле в полную звезду (а) и схема сети с двойным замыканием на землю (6)

установленные во всех фазах защищаемого элемента. Вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле соединяются в полную звезду. При этом в нулевую точку должны быть объединены одноименные выводы, например концы И₂ вторичных обмоток всех трех трансформаторов тока. Провод, соединяющий нулевую точку трансформаторов тока и нулевую точку обмоток реле, называют нулевым (обратным).

Из анализа схемы следует, что:

при всех видах коротких замыканий токи повреждения проходят во всех или в части реле KA1—КА3, поэтому защита реагирует на все виды коротких замыканий, имея при этом равную чувствительность при одинаковых токах повреждения; токи в реле равны вторичным фазным токам, поэтому коэффициент схемы k_сх^(m)= k_сх⁽³⁾=1;

при двойных замыканиях на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями, если точки замыкания расположены на разных линиях (рис. 18.2, б), могут подействовать на отключение защиты I и II обеих линий при равенстве выдержек времени, что нежелательно;

ток в нулевом проводе равен сумме фазных токов (I_а+I_b+I_с)=3I_о, поэтому в нормальном режиме и при отсутствии замыкания на землю в нулевом проводе проходит только ток небаланса; возможный обрыв нулевого провода не может повлиять на работу схемы, однако при замыканиях на землю по нулевому проводу проходит ток повреждения — при обрыве нулевого провода ток поврежденной фазы может замыкаться только через вторичные обмотки трансформаторов тока неповрежденных фаз, которые представляют для него очень большое сопротивление, потому выполнение схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду без нулевого провода недопустимо;

максимальная нагрузки трансформатора тока имеет место при однофазных коротких замыканиях. Этот режим является расчетным при определении допустимой нагрузки Z_н.рсч = 2R_пр+Z_р+R_кон, где R_пр — сопротивление провода (прямого или обратного), соединяющего реле с одним из выводов ТА; Z_p — сопротивление обмотки реле; R_кон — переходное сопротивление в местах соединений.

Рис. 8.3. Схема соединения трансформаторов тока и реле в неполную звезду (а) и ее особенности; схема сети с короткими замыканиями (6) и векторная диаграмма токов при к.з. за трансформатором (в)

Двухфазная двух- и трехрелейная схема с соединением трансформаторов тока и реле в неполную звезду. Эту схему (рис. 8.3, а) можно получить из схемы полной звезды (см. рис. 18.2, а), если исключить один из трансформаторов тока (ТА2) и реле КА2 (двухрелейная схема неполной звезды). Обычно для выполнения схемы неполной звезды используются трансформаторы тока, установленные в фазах А и С.

Из анализа этой схемы следует, что:

схема реагирует на все виды коротких замыканий, за исключением короткого замыкания на землю фазы, в которой трансформатор тока не установлен, поэтому схема применяется только для защит, действующих при многофазных повреждениях; в симметричных режимах в реле проходят вторичные фазные токи, поэтому для схемы неполной звезды k_сх^(m)= k_сх⁽³⁾=1;

ток в обратном проводе проходит не только при некоторых замыканиях на землю, но и при многофазных коротких замыканиях, а также при нормальном режиме, поэтому обратный провод необходим для правильной работы схемы, т. е. выполнять схему без обратного провода недопустимо;

в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью (рис. 8.3, б) при двойных замыканиях на землю, когда точки повреждения находятся на двух линиях, отходящих от общих шин, причем одна из точек расположена на фазе без трансформатора тока (точки K₁ и К₃), деиствует на отключение только защита I и отключается линия с местом повреждения в точке K₁; при установке трансформаторов тока в одноименных фазах на всех присоединенных данного напряжения в большинстве (2/3) случаев двойных замыканий на землю отключается только одно место повреждения;

в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью при двойных замыканиях на землю защита может действовать нсселективно, если точки повреждения K₁ и K₂ располагаются на смежных участках, причем на более удаленном участке повреждается фаза без трансформатора тока (на отключение действует защита I, а не II);

чувствительность защиты может оказаться в два раза меньшей по сравнению со схемой полной звезды при некоторых двухфазных коротких замыканиях за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ или Δ/Y (точка К₄, защита III).

На рис. 8.3, в приведены векторные диаграммы токов в фазах со стороны обмоток силового трансформатора Т, соединенных в Δ и Y (соответственно I_AΔ, I_BΔ и I_AY, I_BY, I_CY) при двухфазном коротком замыкании за трансформатором между фазами А и В. Векторные диаграммы токов построены с использованием метода симметричных составляющих. Полные токи в фазах можно выразить через ток прямой последовательности фазы А со стороны треугольника:

I_AΔ=-I_BΔ=I_k⁽²⁾= I_1AΔe^jπ/6,

I_AY=I_CY=-I_BY/2=(I_1AΔ/n_T)e^jπ/6,

где n_т — коэффициент трансформации силового трансформатора.

Отсюда

I_AY=I_CY=I_k⁽²⁾/( n_т).

Чувствительность защиты, выполняемой по схеме неполной звезды в данном случае определяется токами I_AY и I_CY

k_ч²=I_k⁽²⁾/( I_сзn_т),

а защиты, осуществляемой по схеме полной звезды,— током I_BY.

k′_ч²=2I_k⁽²⁾/( I_сзn_т),

т. е. k′_ч⁽²⁾=2k_ч⁽²⁾_k⁽²⁾.

Если чувствительность двухрслейной схемы неполной звезды недостаточна, то в обратный провод схемы дополнительно включается реле КА2, по обмотке которого, как и в обратном проводе, проходит сумма токов фаз А и С (трехрелейная схема неполной звезды). По чувствительности эта схема равноценна схеме полной звезды.

Двухфазное короткое замыкание за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ является расчетным при определении погрешности ТА. В этом случае вторичная нагрузка ТА имеет максимальное значение:

Z_н.рсч=3(R_пр+Z_p) + R_кон.

Трехфазная схема соединения ТА в полный треугольник, а измерительных органов — в полную звезду(рис. 8.4). В схеме используются три трансформатора тока ТА1 — ТА3 и три реле KА1, КА2, КА3. Вторичные обмотки ТА соединены в треугольник последовательным соединением разноименных выводов обмоток, а обмотки реле соединены в звезду и с помощью проводов подключаются к вершинам треугольника. При такой схеме соединения в каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

I_p1=I_a-I_b; I_p2=I_b-I_c; I_pз=I_с-I_a;

Из анализа схемы следует, что:

схема реагирует на все виды коротких замыканий;

соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами ТА зависят от вида короткого замыкания, поэтому схема имеет различные коэффициенты схемы k_cх^(m), а именно:

k_cх⁽³⁾= ; k_cх⁽²⁾=2; k_cх⁽¹⁾=1;

так как k_cх^(m)≠ k_cх⁽³⁾, то защита имеет разную чувствительность.

Из (5.1) следует, что наименьшая чувствительность имеет место при однофазных коротких замыканиях (k_cх⁽¹⁾=1);

при коротких замыканиях на землю токи нулевой последовательности не проходят в реле; схема соединения ТА1 — ТА3 в треугольник является как бы комбинированным фильтром токов прямой и обратной последовательности;

максимальная вторичная фагрузка ТА имеет место при трехфазных коротких замыканиях, а также при двухфазных повреждениях за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ, Z_н._рсч=3(R_пр+Z_р)+R_кoн.

Рис.8.4. Схема соединения трансформаторов Рис. 8.5. Схема соединения тока в полный треугольник, трансформаторов тока

а измерительных органов — и реле на разность токов в полную звезду двух фаз

Двухфазная однорелейная схема соединения в неполный треугольник (на разность токов двух фаз). Для выполнения схемы вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных в двух фазах, соединяются разноименными выводами. К трансформаторам тока реле присоединяется так, что по его обмотке проходит ток, равный геометрической разности фазных токов. В соответствии со схемой (рис. 8.5) I_р=I_а—I_c.

Из анализа поведения реле при различных видах короткого замыкания следует, что:

схема защиты реагирует на все виды коротких замыканий, за исключением замыканий на землю фазы, в которой трансформатор тока не установлен, поэтому применяется только для действия при многофазных повреждениях; существенным недостатком схемы является то, что при двухфазном коротком замыкании за трансформатором с соединением обмоток Y/Δ (точка K₄ на рис. 8.3, б) защита может отказать в действии в связи с тем, что токи в фазах с трансформаторами тока равны и совпадают по фазе (токи I_AY и I_CY на рис. 18.3, в);

соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами ТА зависят от вида короткого замыкания и сочетания поврежденных фаз, поэтому коэффициент схемы k_сх^(m) принимает различные значения. В нормальном режиме и при трехфазном коротком замыкании k_сх⁽³⁾= . В случае двухфазных повреждении k_сх⁽²⁾ зависит от сочетания поврежденных фаз. Так, при коротком замыкании между фазами А—С коэффициент схемы k_сх⁽²⁾=2. Защита наименее чувствительна к двухфазным коротким замыканиям между фазами А-В и В-С, когда k_сх⁽²⁾=1.

расчетным для определения допустимой нагрузки трансформаторов тока является двухфазное короткое замыкание между фазами А—С. В этом случае Z_н.рсч=2(2R_пр+Z_р)+R_кон.

Рассмотренные схемы соединения вторичных обмоток ТА пригодны для подключения через максиселекторы современных реле, выполненных на основе операционных усилителей. При использовании схемы неполного треугольника (рис. 8.5) максиселектор не требуется. Такие защиты называются односистемными.

Рассмотренные схемы включения измерительных реле неравноценны как по количеству оборудования, так и по другим параметрам (чувствительность, надежность, селективность и др.). Выбор той или иной схемы определяется в первую очередь назначением защиты. При условии выполнения всех требований, предъявляемых к защите, предпочтительна наиболее простая схема, требующая наименьшего количества оборудования.

В сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью защита, выполненная по схеме полной звезды, может при двойных замыканиях на землю отключить оба места повреждения, что нежелательно, поэтому для отключения многофазных коротких замыканий и ликвидации двойных замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью защиту следует выполнять по схеме неполной звезды или по схеме включения реле на разность токов двух фаз.

В сетях с глухозаземленными нейтралями к защите предъявляется требование действовать на отключение защищаемого элемента при коротких замыканиях между фазами и при коротких замыканиях па землю. Такую защиту можно выполнить двумя способами: по схеме включения трансформаторов тока и реле в полную звезду; в виде двух комплектов — одного от междуфазных коротких замыканий с соединением трансформаторов тока и реле в неполную звезду и другого от коротких замыканий на землю с соединением трансформаторов тока в фильтр тока нулевой последовательности.

Как показано ниже реле тока, включенные на ток фазы (схема полной звезды), при коротком замыкании на землю менее чувствительны, чем комплект защиты от замыканий на землю с соединением трансформаторов тока в фильтр тока нулевой последовательности. Кроме того, комплект защиты от коротких замыканий на землю можно выполнить с меньшей выдержкой времени. Поэтому более целесообразно выполнение токовой защиты в виде двух комплектов: от междуфазных коротких замыканий и от коротких замыканий на землю.

Рассмотренные схемы соединения трансформаторов тока и реле используют также в цепях тока других защит (дифференциальной, токовой направленной, дистанционной).

9 лекция: Первая ступень токовой защиты — токовая отсечка без выдержки времени. Вторая ступень токовой защиты — токовая отсечка с выдержкой времени. Третья ступень токовой защиты — максимальная токовая защита.