Двухступенчатая токовая защита на реле прямого действия. В соответствии с «Правилами» [2] первая ступень защиты выполняется в виде токовой отсечки на реле типа РТМ, а вторая - в виде максимальной токовой защиты с обратно зависимой от тока характеристикой выдержки времени на реле типа РТВ. Реле РТМ и РТВ относятся к группе реле прямого действия, которые одновременно являются измерительным и исполнительным органом, непосредственно воздействующим на запирающий механизм привода выключателя [3, 7]. Принципиальные схемы двухступенчатой токовой защиты на реле прямого действия показаны на рис. 9. Раздельное включение реле токовой отсечки: 1 и 2 типа РТМ и реле максимальной токовой защиты 3-5 типа РТВ (рис. 9,6) на разные обмотки трансформаторе тока используется в тех случаях, когда при совместном включении этих реле (рис. 9,а) оказывается недопустимо большой погрешность трансформаторов тока [5]. Максимальная токовая защита выполняется трехрелейной в тех случаях, когда она должна защищать трансформаторы 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток треугольник.
Рис. 9. Принципиальная схема двухступенчатой защиты линии 10 к1 с включением максимальных реле тока прямого действия типа РТ (токовая отсечка) и РТВ (максимальная токовая защита) на одни и же (а) и на разные обмотки трансформаторов тока (6} I, 2 - реле РТМ; 3-5 - реле РТВ; б-измерительные приборы
Рис. 10. Схемы линии 10 кВ (а) и блока линия-трансформатор (б) с
токовой отсечкой на реле прямого действия типа РТМ (IKT - плавкие предохранители (§ 6); /д д - ток срабатывания отсечки; гд, г - полные сопротивления линии и трансформатора
трансформаторы 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток треугольник-звезда. Поэтому реле 5 показано штриховыми линиями (рис.9). ,. v
Токовая отсечка на реле РТМ для защиты линий 10 кВ используется относительно редко из-за невозможности обеспечить селективность между РТМ и плавкими предохранителями типа ПК.Т-10, защищающими трансформаторы, подключенные к линиям 10 кВ. Это объясняется тем, что при к. з. на выводах трансформатора Т1 (точка К.1 на рис. 10,а) реле РТМ может сработать настолько быстро (около 0,02 с), что плавкие вставки предохранителей ПК.Т не успеют расплавиться. Расчеты показывают, что предохранители ПК.Т на относительно мощных трансформаторах не успевают сработать даже при повторном включении линии устройством АПВ. Если же отстроить отсечку от к. з. в
ближайшем трансформаторе, т. е. выбрать ее ток срабатывания большим, чем ток к. з. в точке К1, то, как правило, отсечка настолько загрубляется, что не может действовать даже при к. з. в самом начале линии.
На блоках линия-трансформатор отсечка на реле РТМ может оказаться достаточно чувствительной защитой при к. з. в любой точке линии (рис. 10,6). Высокая чувствительность отсечки объясняется тем, что она отстраивается от к. з. за трансформатором (точка KJ), где значения токов значительно меньше, чем при к. з. в конце линии ВЛ (точка К.2 ). По кривой изменения тока к. з. в зависимости от удаленности места повреждения (рис. 10,6) видно, что выбранный ток срабатывания отсечки /с.о больше, чем ток к. з. в точке К], где отсечка не должна работать, но значительно меньше, чем ток к. з. в точке К.2 и более близких точках к. з. на линии ВЛ, т. е. отсечка надежно защищает всю линию. Однако сказанное справедливо, если погрешность трансформаторов тока при к. з. в точке К2 не превышает 10%,. Если погрешность выше 10%, необходимо убедиться в достаточной чувствительности отсечки с учетом действительной погрешности трансформаторов тока [5].
Максимальная токовая защита на реле РТВ широко используется на линиях 10 кВ. В некоторых энергосистемах с помощью этих реле защищается около половины линий 10(6) кВ в сельской местности. В современных малогабаритных комплектных распределительных устройствах, например К-47, реле РТВ уже не предусматриваются, а реле] типа РТМ могут использоваться лишь в качестве отключающих электромагнитов, дешунтируемых при срабатывании максимальных реле тока косвенного действия типа РТ-85 (см. далее).
Токовые реле с обратно зависимой от тока выдержкой времени типа РТВ выпускаются с времятоковыми характеристиками t=f(lK//c.p) двух видов: более крутыми у реле типа PTB-I-PTB-III и более пологими у реле тип PTB-IV-PTB-VI. Как видно из рис. 11,о, переход в независимую часть характеристики у реле PTB-I-PTB-III (кривая ) происходит при кратностях тока к. з. /к к току срабатывания реле /с.р около 1,6-1,7, а у реле PTB-I V-PTB-VI (кривая 2)- около 3-3,5. Первый тип характеристик дает возможность ускорить отключение к. з. и вь| брать меньшее время срабатывания последующей защит! (на питающем элементе). Второй тип характеристик лучше ( обеспечивает селективность с плавкими предохранителям) на относительно мощных трансформаторах 10/0,4 кВ (более 250 кВ-А). Описание конструкций, характеристик методов обслуживания реле РТВ и РТМ приведено в рабе те [7], а примеры выбора параметров срабатывания- [5]. В работе [7] отмечены существенные недостатки реле РТВ, выпускаемых промышленностью, в том числе трудности регулировки и ремонта; большие разбросы времен] срабатывания, особенно при работе реле в зависимой части характеристики (из-за этого приходится принимать большие ступени селективности t = 1 с при согласовании в зависимой части защитных характеристик смежных защит:! последующей Р32 и предыдущей Р31, рис. 11,6); невозможность, без переделки реле, установки выдержки времени в независимой части характеристики менее 0,7 с; низкий коэффициент возврата (0,65 при работе реле в зависимо? части характеристики).
рис 11 Защитные характеристики f-=f(I) максимальных реле тока прямого действия типа PTB-I-кривая / и PTB-IV-кривая 2 (а) и
карта селективности (б) с защитными характеристиками предыдущей Р31 и последующей Р32 максимальных токовых защит на реле типа РТВ
^ /„ . _ ступень селективности между защитами Р32 и Р31 при расчетном токе, соответствующем максимальному значению тока при к. з. в месте установки предыдущей защиты Р31
Для сравнения отметим, что у полупроводниковых реле тока с зависимой характеристикой. коэффициент возврата равен примерно 1, что позволяет при прочих равных условиях выполнить в 1,5 раза более-чувствительную максимальную токовую защиту. Ступени > селективности при использовании полупроводниковых токовых защит с зависимой характеристикой принимаются в пределах 0,3-0,4 с. Из аналогичных электромеханических реле наиболее точными являются индукционные реле тока серии РТ-80 (бывшее наименование ИТ-80), которые широко применяются для защиты сельских сетей 10 кВ.
Максимальная токовая защита линий и блоков линия-трансформатор на реле РТ-80. Максимальное реле тока косвенного действия РТ-80 состоит из трех элементов:
индукционного с обратно зависимой от тока выдержкой времени, электромагнитного мгновенного действия (отсечки) и указательного, сигнализирующего о срабатывании реле на замыкание или переключение контактов [3, 8]. В схемах защиты на постоянном или выпрямленном оперативном токе (рис. 12,а) при срабатывании реле типа РТ-81 его замыкающие контакты замыкаются и подают «плюс» оперативного тока на отключающий электромагнит (катушку) выключателя ЭО через вспомогательные контакты выключателя 8KB.
В схемах защиты на переменном оперативном токе используются реле типа РТ-85, которые имеют такую же конструкцию и такие же времятоковые характеристики, что и
Рис. 12. Схемы максимальных токовых защит на реле типа РТ-80 (Р\ Р2) на постоянном (а) и переменном (б) оперативном токе
ЭО - электромагнит отключения выключателя В; ВК.В - вспомогательные такты этого выключателя
реле РТ-81, но специальные усиленные контакты, выполненные переключающими (рис. 12,6). До срабатывания pi ле PI (P2) размыкающий контакт 1 замкнут и шунтирует соответствующий электромагнит отключения ЭО, а замыкающий контакт 2 разомкнут и ток через ЭО не проходит;:
При срабатывании реле Р1(Р2) его контакты переключаются таким образом, что сначала замыкается контакт 2, q затем размыкается контакт /. Электромагнит отключений 30 подключается к трансформаторам тока ТТ последовательно с катушкой соответствующего реле и при достаточном значении тока срабатывает на отключение выключателя. Такие схемы защиты называются схемами с дешунтированием электромагнитов отключения.
Сочетание в реле РТ-80 индукционного и электромагнитного элементов позволяет выполнить двухступенчатую защиту линии 10(6) кВ с помощью двух реле (рис. 12), а не четырех (рис. 9). Для повышения чувствительности защиты при двухфазных к. з. за трансформаторами 10(6) кВ со схемой соединения обмоток треугольник-звезда Д.У рекомендуется установить третье реле РТ-85. Если в приводе выключателя имеется только два ЭО, в дополнительно устанавливаемом реле РТ-85 производится несложное изменение внутренних соединений для раздельного вывода на свободные внешние зажимы реле его катушки, замыкающего 2 и размыкающего 1 контактов. Замыкающий контакт 2 включается параллельно с аналогичным замыкающим контактом 2 реле Р1, а размыкающий контакт / включается последовательно с аналогичным контактом 1 реле PI [9]. Таким образом, реле Р1 и дополнительное реле
при срабатывании вместе или по отдельности производят дешунтирование одного и того же ЭО. Катушка дополнительного реле включается в обратный провод схемы неполной звезды (аналогично реле 5 на рис. 9).
Времятоковые характеристики индукционного элемента реле РТ-80 имеют примерно такой же вид, как у реле PTB-IV-PTB-VI (рис. 11,а), и приводятся в справочной литературе [8]. Характеристики РТ-80 хорошо согласуются с времятоковыми характеристиками плавких предохранителей, которые защищают трансформаторы, подключенные к линиям 10(6) кВ. По сравнению с РТВ реле РТ-80 имеют более высокий коэффициент возврата индукционного элемента, принимаемый в расчетах равным 0,8, более широкие возможности выбора тока и времени срабатывания.
Реле PTB-IV-PTB-VI и РТ-80 позволяют выполнять согласование смежных защит в зависимых частях их время - токовых характеристик. При этом защиты могут иметь одинаковые уставки по времени (в установившейся части характеристики), но разные уставки по току срабатывания». При одном и том же значении тока к.з., проходящего через все смежные защиты, кратность тока в реле этих защит будет разная, причем более близкая к месту к. з. и, самая чувствительная защита с наименьшим током срабатывания реле будет иметь наибольшую кратность тока в реле и наименьшее время срабатывания [5]. Таким образом, в ряде случаев можно обеспечить селективность защит без накопления выдержки времени по направлению к источнику питания. Однако при больших значениях токов к. з. и, следовательно, больших кратностях тока в реле все смежные защиты работают в установившейся части характеристики и тогда согласование между ними должно вестись по ступенчатому принципу, т. е. с накоплением выдержек времени. Это является недостатком защит на реле РТВ и РТ-80 при использовании их на линиях, состоящих из нескольких участков.
Электромагнитный элемент реле РТ-80 (отсечка) может быть плавно отрегулирован на ток срабатывания /с.о в пределах от 2- до 8-кратного по отношению к току срабатывания максимальной токовой защиты /с.з (рис. 13). При срабатывании отсечки короткие замыкания на линиях отключаются без выдержки времени (рис. 10,6). Но и при невозможности выполнения селективной отсечки электромагнитный элемент реле РТ-80 остается в работе. Благодаря этому в схемах с дешунтированием (рис. 12,6)
Рис. 13. Защитная характеристика максимального реле тока типаЯ РТ-80 (а) и карта селективности (б) с защитными характеристиками' максимальных токовых защит линии 10 кВ на реле РТ-40 и РВ (кри-1 вые !/ и ./'), РТ-80 или РТВ (кривая 2} и времятоковой характеристи-i кой плавкого предохранителя 10 кВ (кривая 3}, защищающего трансформатор 10/0,4 кВ, подключенный к этой линии 1с.о' ^с.з-twu срабатывания отсечки и максимальной защиты
можно не опасаться возврата реле РТ-85 после его срабатывания и подключения ЭО к трансформаторам тока (из-за увеличения их погрешности). Несмотря на то, что ток г катушке реле может снизиться в 2-3 раза по сравнении с режимом до дешунтирования ЭО, возврата реле РТ-8Е не происходит из-за низкого коэффициента возврата егс электромагнитного элемента, что обеспечивает надежно< отключение выключателя поврежденной линии [5, 9].
Схемы с дешунтированием ЭО (рис. 12,6) могут применяться при условии, что максимальное вторичное значении ( тока к. з. не превышает 150 А при полном сопротивлениям дешунтируемых ЭО, не превышающем 4,5 Ом при токг^ 3,5 А, и не более 1,5 Ом при токе 50 А [8]. Вторичное значение тока к. з. /2к определяется по выражению где /ж-первичное значение тока через защиту при к. з. месте ее установки, А; Пт-коэффициент трансформации трансформаторов тока, выбираемый по номинальному ток защищаемого присоединения.
На современных подстанциях 110/10 кВ в сельско] местности с понижающими трансформаторами мощность» 10 MB-А и более первичные значения токов при к. з. Hi линиях 10 кВ близ подстанции могут превышать 5 кА При установке на линиях трансформаторов тока с Пт= ==100/5 и 150/5 расчетное значение /2к по выражению (1 ) превышает 150 А. Для уменьшения значения 1-гк увеличивают «т, но при этом необходимо убедиться в достаточной чувствительности не только реле защиты, но и дешунтируемого электромагнита отключения ЭО при к. з. в конце защищаемой линии и зон резервирования, особенно в тех случаях, когда ток срабатывания ЭО равен 5 А.
На действующих подстанциях, где защита линий ]0 (6) кВ выполнена по схеме с дешунтированием ЭО (рис. 12,6), при увеличении расчетных значений /2к>150А (например, при замене питающего трансформатора на более мощный) можно оценить значение /2к с учетом токовой погрешности трансформаторов тока [5, 9]. Например, при /1к=4 кА и Пт= 100/5 по выражению (1) /2к==200 А и схема с дешунтированием ЭО оказывается непригодной. Но при такой большой кратности тока к. з. по отношению к номинальному первичному току трансформаторов тока (4000/100 ==40) погрешность стандартных трансформаторов тока 10 (6) кВ, как правило, значительно превыщает 10%. Для схем защиты, смонтированных в КРУ, погрешность трансформаторов тока достигает 30-50% и, следовательно, фактические значения /2к будут находиться в пределах 0,7-0,5 от значений /2к, рассчитанных по выражению (1). В данном примере это составит от 140 до 100 А, т. е. меньше 150 А [5, 9].
Для точной работы индукционного элемента реле РТ-80 необходимо, чтобы погрешность трансформаторов тока не превышала 50% при токе срабатывания электромагнитного элемента (отсечки). Опыт проектирования и обслуживания защит в сельских сетях показывает, что все перечисленные условия применения реле РТ-80, как правило, могут быть выполнены.
Двухступенчатая токовая защита с независимой характеристикой на реле типа РТ-40. Для выполнения двухступенчатой защиты устанавливаются два реле РТ-40 токовой отсечки и два или три реле РТ-40 максимальной токовой защиты. Цепи переменного тока аналогичны рис. 9. Третье реле максимальной токовой защиты устанавливается при наличии в сети силовых трансформаторов 10/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y.
На постоянном и выпрямленном токе схема защиты с реле РТ-40 применяется часто, но на линиях 10 кВ, по ко-горым питаются трансформаторы, защищаемые плавкими предохранителями, не зависимая от тока характеристика времени срабатывания этой защиты часто приводит к необходимости увеличения ее тока срабатывания. На рис.13,6 видно, насколько значительно должен быть увеличу ток срабатывания защиты с независимой характеристике; (от характеристики / к характеристике //) по сравнении с током срабатывания защиты с зависимой характеристи кой 2, для того чтобы обеспечить селективность защит! линии 10 кВ с плавкими предохранителями, защищающи ми наиболее мощные трансформаторы 10 кВ (характерно тика 3).
На переменном оперативном токе схема защиты значительно усложняется из-за необходимости установки специального токового реле времени типа РВМ-12 и специальных промежуточных реле типа РП-341 [8], переключающи контакты которых служат для дешунтирования ЭО подобж контактам реле РТ-85 (рис. 12,6). Из-за сложности аппа ратуры и неудобства согласования независимой характе-' ристики срабатывания с зависимыми времятоковыми ха-, рактеристиками плавких предохранителей схема с реле РТ-40 на подстанциях с переменным оперативным током для защиты сельских линий 10 (6) кВ применяется редко. Так же редко применяются другие типы максимальных токовых защит с не зависимой от тока выдержкой времени, например ТЗК-1, ТЗК-2 и т. п.
Полупроводниковая максимальная токовая защита типа ТЗВР [4]. Устройство ТЗВР включает в себя односистемную максимальную токовую защиту с регулируемой в широких пределах ограниченно зависимой времятоковой характеристикой, у которой время действия в зависимой части линейно зависит от тока, а также токовую отсечку, указательные реле, сигнализирующие о срабатывании защиты и электромагнита отключения выключателя, токовый блок питания этого электромагнита и органы оперативно го опробования работоспособности всего устройства.
В зависимой части времятоковая характеристика T3BR имеет вид наклонной прямой линии (рис. 14,а), причем ее наклон (крутизна) может регулироваться. В независимо] части характеристики время срабатывания может регулироваться от 0,1-0,2 до 4 с. Такая характеристик позволяет согласовывать действия последовательно установленных комплектов ТЗВР с меньшим накоплением выдержек времени, чем при согласовании между собой за щит с реле РТ-80 или РТВ (штриховые характеристики 2 и 3' на рис. 14,6). Однако при установке защиты ТЗВР сети, где предыдущая защита выполнена на реле РТВ ил РТ-80, это преимущество ТЗВР в значительной мере теряется. 28
Рис. 14. Защитная (времятоковая) характеристика <=/'(/) полупроводниковой защиты типа ТЗВР (а) и карта селективности (б) с защитными характеристиками максимальных токовых защит ТЗВР (/-3) и на реле РТ-80 или РТВ (2', 3')
Защита ТЗВР имеет одинаковую чувствительность при трехфазных и двухфазных к. з. на защищаемой линии, т. е. чувствительность ее на 15% выше, чем у максимальных защит с реле РТВ и РТ-80, включенными на фазные токи. Это является достоинством защиты ТЗВР, однако создает дополнительные трудности при согласовании ее зависимой времятоковой характеристики с зависимыми времятоковыми характеристиками предыдущих защит на реле РТВ и РТ-80, поскольку надо учитывать, что при двухфазном: например в точке К2 (рис. 14,6), время срабатывания защиты 3 типа ТЗВР будет определяться значением тока 1-фазного к. з., на 15% большим, чем ток двухфазного, а время срабатывания защиты 2 на реле РТВ или РТ-80-меньшим на 15% значением тока. При меньшем токе защита 2 работает дольше и для обеспечения селективности необходимо принять большее время действия последующей защиты ТЗВР.
Максимальная токовая защита типа ТЗВР имеет высокий коэффициент возврата - не менее 0,98. Это дает возможность повысить чувствительность защиты на одной и той же линии по сравнению с защитой на реле типа РТВ в 1,5 раза, а с реле РТ-80-примерно в 1,2 раза. Ток срабатывания максимальной защиты ТЗВР можно регулировать в широких пределах - от 2,5 до 40 А, время срабатывания - от 0,1 до 4 с.
В устройстве ТЗВР предусмотрена также токовая отсечка. Еще одним достоинством устройства ТЗВР является автономный источник оперативного тока - блок питания, обеспечивающий работу защиты и электромагнита отключения выключателя при вторичных токах, начиная с номинального, 5 А в одном из трансформаторов тока (фазы . или С). Описание устройства ТЗВР приведено в работе [4], рекомендации и примеры выбора уставок в работе [5].