Релейная защита и автоматика

Ток срабатывания защиты Iс.з. определяют, исходя из требования достаточной чувствительности защиты по току при металлическом двухфазном коротком замыкании в конце защищаемой линии (точка К2):

Iс.з. = Iк.мин / Кч1,

где Кч1 - требуемый коэффициент чувствительности по току.

На рисунке ток Iк при перемещении точки повреждения изменяется согласно кривой 3, а ток Iс.з. определяется прямой 4. Для предотвращения неправильного действия защиты при нарушении цепей напряжения ток Iс.з. должен быть отстроен от максимального рабочего тока по условию

Iс.з. = Кзап. * Iраб.max /Кв,

Окончательно ток срабатывания Iс.з. выбирают по большему из двух значений, полученных по приведенным условиям.

Рис.5.

 

 

Максимальная токовая  защита.

 

Одним из наиболее характерных  признаков возникновения к.з., а также других нарушений нормального режима работы электроустановок является резкое увеличение тока (или, как говорят, появление сверхтока) нагрузки, на использовании этого принципа основано действие максимальной токовой защиты. Первым требованием, которому должна удовлетворять максимальная токовая защита, является правильное выявление момента возникновения повреждения в защищаемой цепи, что достигается установкой определенного значения тока срабатывания.Однако появление сверхтока в каком-либо элементе не всегда является признаком повреждения именно этого элемента.

Дело в том, что сверхток проходит не только по поврежденному элементу, но и по связанным с ним неповрежденным элементам электроустановки или  электросети, так, например, в электросети, состоящей из трех последовательно  соединенных участков (см.рис.),

Рис.1

при к.з. в точке К1 сверх ток Iк проходит от источника питания E к месту повреждения, как по поврежденному участку W1, так и по неповрежденному участку W3, если сверхток превысит ток срабатывания, то придут в действие (запустятся) и сработают максимальные токовые защиты всех трех участков: МТЗ1, МТЗ2, МТЗ3. В результате такого действия будут отключены не только поврежденный, но и неповрежденный участки электросети, что не допустимо. Правильная ликвидация аварии будет иметь место лишь в том случае, если сработает защита МТЗ1 и отключит выключатель Q1, ближайший к месту повреждения. Таким образом, вторым требованием, которому должна удовлетворять максимальная токовая защита, является правильный выбор поврежденного участка. Для выполнения этого требования, которое называется избирательностью или селективностью, максимальные токовые защиты участков электросети должны иметь различное время срабатывания, возрастающее в направлении к источнику питания. Время срабатывания защиты от момента возникновения сверхтока до воздействия на выключатель называется выдержкой времени. В рассматриваемом случае наименьшую выдержку времени Т1 должна иметь защита МТЗ1, несколько большую Т2 – защита МТЗ2 и еще большую Т3 – защита МТЗ3. При такой настройке выдержек времени защит электросети на (см.рис.) и возникновении к.з. в точке К1 запустятся все защиты, но первой сработает защита МТЗ1 и отключит выключатель Q1.

Рис.2.

После этого прохождение тока к.з. прекратится и защиты МТЗ2 и МТЗ3 вернуться в исходное положение до того, как истечет установленная на них выдержка времени. В результате ликвидации аварии будет отключен только поврежденный участок W1, а неповрежденные участки W2 и W3 останутся в работе. При к.з. в точке К₂ срабатывает и отключает свой выключатель защита МТЗ2, т.к. она имеет выдержку времени меньшую, чем защита МТЗ3.

Для выявления момента возникновения  аварии и обеспечения действия в  рассмотренной выше последовательности, максимальная токовая защита строится из двух органов: пускового органа, который выявляет момент возникновения  к.з. или другого нарушения нормального режима работы и производит пуск защиты, и замедляющего органа (органа выдержки времени), который замедляет действие защиты для обеспечения селективности.

Ток срабатывания пусковых реле выбирается таким, чтобы обеспечить выполнение следующих условий:

1.Защита не должна приходить  в действие при прохождении  по защищаемому элементу максимального  тока нагрузки;

2.Защита должна надежно действовать  при к.з. на защищаемом участке и иметь коэффициент чувствительности не менее 1.5;

3.Защита, как правило, должна  действовать и при к.з. на смежном (резервируемом) участке и иметь коэффициент чувствительности в конце этого участка не менее 1.2.

Коэффициентом чувствительности называется отношение минимального тока к.з. к току срабатывания

Кч = Iк.мин/ Iс.з

В зависимости от принципа формирования выдержек времени МТЗ делятся  на МТЗ с независимыми характеристиками времени срабатывания и на МТЗ  с зависимыми характеристиками времени  срабатывания, выдержки времени максимальной токовой защиты с независимой  характеристикой времени срабатывания выбираются по ступенчатому принципу, который состоит в том, что  каждая последующая защита в направлении  от потребителей электроэнергии к источнику  питания имеет выдержку времени  больше предыдущей. Выбор выдержек времени должен начинаться с самых удаленных от источника питания потребителей (см.рис.), с электродвигателей М1 и М2. Для защиты этих электродвигателей выдержка времени принимается равной нулю: Т1=0.

Рис.4.

Для того чтобы при повреждении  одного из электродвигателей не отключился трансформатор Т2, его защита должна иметь выдержку времени Т2, большую чем Т1, на величину, называемую ступенью селективности D Т, т.е. Т2 = Т1+D Т

Выдержка времени Т3 защиты линии W должна быть больше выдержки времени защиты трансформатора Т2, т.е.

Т3 = Т2 + D Т,

аналогично

Т4 = Т3 + D Т и Т5 = Т4+ D Т.

Ступень селективности D Т должна быть такой, чтобы успели сработать защита и отключиться выключатель на поврежденном участке, прежде чем истечет выдержка времени защиты на следующем неповрежденном участке. Для максимальной токовой защиты с независимой характеристикой времени срабатывания ступень селективности D Тн.з. определяется как сумма следующих составляющих:

D Тн.з. = Твык + D Ткт1 +D Ткт2 +Тзап

где Твык – время отключения выключателя от момента подачи импульса на отключающую катушку до момента гашения дуги на его силовых контактах; это время составляет 0.08-0.1с у воздушных выключателей и 0.08-0.25с у масляных; D Ткт1 – погрешность реле времени защиты поврежденного участка, которое может подействовать на отключение с выдержкой времени больше расчетной, эта погрешность зависит от шкалы реле времени и составляет: 0.06с у реле со шкалой до 1.3с; 0.12с у реле до 3.5с; 0.25с у реле до 9с; 0.8с у реле до 20с; D Ткт2 –погрешность реле времени защиты следующего к источнику питания участка, которое может подействовать с выдержкой времени меньше расчетного значения; Тзап – время запаса, учитывающее неточность регулировки реле времени, погрешность секундомера, которым производится настройка реле времени, увеличение времени отключения выключателей в зимнее время и другие факторы, принимается 0.1-0.15с.

Таким образом, ступень селективности  должна вычисляться с учетом типов  установленных выключателей и типов  реле времени и обычно составляет

D Тн.з. = 0.4-0.6с

Если одна из двух согласуемых защит  не имеет реле времени, то при вычислении ступени селективности D Ткт1 принимается равным нулю.

Основным недостатком МТЗ с  независимой характеристикой выдержки времени срабатывания является увеличение времени срабатывания по мере приближения  к источнику питания.С целью устранения этого недостатка применяют защиты с зависимой характеристикой времени срабатывания.

На рисунке показано изменение  тока повреждения при перемещении  точки короткого замыкания от подстанции А к В (кривая 3) и построены характеристики 1,2 защит А1 и А2 соответственно. Из графиков видно основное преимущество защиты с зависимой характеристикой – отключение близких повреждений с малой выдержкой времени при обеспечении селективности в случаях короткого замыкания на соседней линии.

Наряду с этим она имеет ряд  существенных недостатков, которых  нет у максимальной защиты с независимой  характеристикой выдержки времени: большие выдержки времени в минимальных (точнее не в максимальных) режимах  работы и при действии защиты в  качестве резервной; зависимость уставки времени срабатывания от максимального тока к.з., что требует изменять уставки с развитием системы электроснабжения и держать их все время под наблюдением.

Рис.5

Если защита А2 по каким-либо причинам не срабатывает при к.з. в точке К2, то к.з. будет отключено защитой А1 со своей выдержкой времени.

Рис.6.

Рассмотрим метод согласования выдержек времени срабатывания на примере  участка сети, где защиты А1 и А4 имеют независимые, а защиты А2 и А3 – зависимые характеристики времени срабатывания. Для защиты А1 по условию селективности с плавкими предохранителями принимается выдержка времени Т1 = Тп + Ґ Т и строится характеристика этой защиты от Iс.з до Iк1, изображаемая прямой линией 1. Согласование характеристики защиты А2 с защитой А1 должно производиться в условиях, когда при к.з. на участке, защищаемом защитой А1, через защиту А2 проходит наибольший ток к.з., что имеет место при к.з. до реактора, т.е. в точке К1. Таким образом контрольная точка характеристики защиты А2 является Т2осн = Т1 +Ґ Т при токе Iк1.

Рис.7.

Зная ток срабатывания и контрольную  точку характеристики, по типовым  характеристикам реле защиты А2 оценивают и наносят на график еще несколько точек, в том числе и точку с временем Т2доп при точке Iк2 и строят всю характеристику, которая изображается кривой 2. Аналогично производится согласование характеристик защит А3 и А2 в условиях, когда при к.з. на участке, защищаемом защитой А2, через защиту А3, проходит наибольший ток к.з., что имеет место при к.з. до трансформатора Т, т.е. в точке К2. При токе Iк2 защита А2 согласно характеристике имеет выдержку времени Т2доп. Поэтому основной контрольной точкой характеристики защиты А3 является

Т3осн = Т2доп + Ґ Т при токе Iк2.

Однако при согласовании двух зависимых  характеристик одной контрольной  точки недостаточно, так как характеристики могут недопустимо сблизиться при  другом значении тока. Поэтому необходимо рассмотреть второе условие, которое  состоит в том, чтобы при к.з. за трансформатором Т, т.е. в точке К1, когда через защиты А3 и А2 проходит ток к.з. Iк1, ступень селективности между ними была не меньше Ґ Т. Таким образом, дополнительной контрольной точкой характеристики защиты А3 является Ґ Тдопі Ґ Т при токе Iк1. Зная ток срабатывания и две контрольные точки при токах Iк1 и Iк2, аналогично по типовым характеристикам реле защиты А3 оценивают и наносят на график еще несколько точек, в том числе точку с временем Т3доп при токе Iс.з4 и строят всю характеристику, которая изображается кривой 3.

Определяется выдержка времени  защиты А4 генератора по условию селективности с защитой А3. Согласование производится при токе, при котором защита А3 имеет наибольшую выдержку времени.

Таким током является ток срабатывания защиты А4 - Iс.з4. Таким образом, выдержка времени защиты А4 составит

Т4 = Т3доп + D Т при токе - Iс.з4

В ряде случаев при определении  тока срабатывания пусковых токовых  реле максимальной токовой защиты отстройка  от максимального тока нагрузки, с  учетом коэффициента самозапуска, приводит к такому загрублению защиты, при котором не обеспечивается необходимая чувствительность. В этих случаях для повышения чувствительности защиты применяется блокировка минимального напряжения. Защита может подействовать на отключение только в том случае, если сработают одновременно токовые реле и реле минимального напряжения, что бывает только при к.з., когда возрастают токи и понижается напряжение. При перегрузках, превышающих ток срабатывания токовых реле, последние сработают, но отключение не произойдет, так как блокирующие реле минимального напряжения при перегрузках не подействуют.

Ток срабатывания пусковых токовых  реле при наличии блокировки минимального напряжения выбирается по выражению

I_сз = К_н х I_н.норм / К_в

Исключение коэффициента самозапуска и отстройка токовых органов от номинального тока, а не от максимального, существенно снижает ток срабатывания МТЗ и повышает чувствительности защиты.

Напряжение срабатывания органов блокировки минимального напряжения максимальной токовой защиты должно удовлетворять следующим условиям:

1.Защита не должна действовать  при эксплуатационных понижениях  напряжения до минимально возможного  рабочего значения;

2.Защита должна надежно действовать  при к.з. на защищаемом участке и иметь коэффициент чувствительности при к.з. в конце участка порядка 1.5;

3.Защита должна действовать  при к.з. на смежном участке и иметь коэффициент чувствительности при к.з. в конце смежного участка порядка 1.2.

Для выполнения первого условия  напряжение срабатывания должно быть меньше минимального рабочего напряжения U_{раб.мин.} Однако выполнения только одного этого условия недостаточно, так, если произойдет к.з., при котором вследствие понижения напряжения блокировка минимального напряжения срабатывает, то для того, чтобы после отключения к.з. реле вернулись в исходное положение, их напряжение возврата должно быть меньше минимального рабочего напряжения:

U_в.з. = U_{раб.мин} /К_н

где К_н –коэффициент надежности отстройки, больший единицы.

Заменив U_в.з на К_в и U_с.з получим формулу для определения напряжения срабатывания бокировки минимального напряжения