6. РАСЧЕТЫ ТОКОВЫХ ОТСЕЧЕК

Категория: М.А. Шабад "Максимальные токовые защиты"

Токовая отсечка, селективная без выдержки времени.

Токовая отсечка защищает только часть обмотки трансформатора или часть линии электропередачи (рис. 1). Из этого определения и происходит, по-видимому, название “отсечка”, т.е. защита, охватывающая только часть элемента — отсек.

Селективность токовой отсечки мгновенного действия обеспечивается выбором ее тока срабатывания I_с.о большим, чем максимальное значение тока КЗ при повреждении в конце защищаемой линии электропередачи (точки К3 и К5 на рис. 28) или на стороне НН защищаемого понижающего трансформатора (точка К3 на рис. 29):

                                                                                                                                                      (11)

Значения коэффициента надежности k_н для токовых отсечек без выдержки времени, установленных на линиях электропередачи и понижающих трансформаторах, приведены в табл. 8. Расчетные условия для токовых отсечек, установленных на генераторах и электродвигателях, рассмотрены в § 10.

 

Таблица 8

Значения коэффициента надежности k_н для токовых отсечек линий и трансформаторов.

Тип реле	Значения kн для токовых отсечек
	линий	трансформаторов
РТ-40 (ЭТ-520)	1,2 – 1,3	1,3 – 1,4
РСТ 11, РСТ 13	1,15	1,15
РТ-80, ИТ-80 (электромагнитный элемент)	1,5 – 1,6	1,6
РТМ	1,4 – 1,5	1,5 – 1,6

 

При определении максимального значения тока КЗ при повреждении в конце линии электропередачи напряжением 35 кВ и ниже рассматривается трехфазное КЗ при работе питающей энергосистемы в максимальном режиме, при котором электрическое сопротивление энергосистемы является минимальным. Для линий 110 кВ и выше максимальное значение тока КЗ в выражении (11) может соответствовать однофазному КЗ на землю. При этом виде короткого замыкания на землю (фаз А или С) запускаются реле токовой отсечки, включенные на токи этих фаз (РТ4, РТ5 на рис. 7).

Определение максимального значения тока трехфазного КЗ за трансформатором с регулированием напряжения необходимо производить при таком положении регулятора напряжения, которое соответствует наименьшему сопротивлению трансформатора.

Кроме отстройки токовой отсечки от максимального значения тока КЗ по условию (11), необходимо обеспечить ее несрабатывание при бросках тока намагничивания (БТН) силовых трансформаторов. Эти броски тока возникают в момент включения под напряжение ненагруженного трансформатора и могут в первые несколько периодов превышать номинальный ток трансформатора в 5—7 раз. Однако выбор тока срабатывания отсечки трансформатора по условию (11), как правило, обеспечивает и отстройку отсечки от бросков тока намагничивания.

При расчете токовой отсечки линии электропередачи, по которой питается несколько трансформаторов, необходимо в соответствии с условием (11) обеспечить несрабатывание отсечки при КЗ за каждым из трансформаторов на ответвлениях от линии (если они имеются) и дополнительно проверить надежность несрабатывания отсечки при суммарном значении бросков тока намагничивания всех трансформа торов, подключенных как к защищаемой линии, так и к предыдущим линиям, если они одновременно включаются под напряжение. Условие отстройки отсечки от БТН бросков тока намагничивания трансформа торов имеет вид

                                                                                                                                     (12)

где — сумма номинальных токов всех трансформаторов, которые могут одновременно включаться под напряжение по защищаемой линии; k_н — коэффициент надежности, значение которого зависит от времени срабатывания токовой отсечки; например, при выполнении отсечки на реле РТМ, собственное время срабатывания которых может составлять всего лишь один период (20 мс), следует принимать наибольшее значение k_н ≥ 5, а при выполнении отсечки по схеме с промежуточными реле (рис. 5 или 13) принимается меньшее значение k_н ≈ 3 - 4, поскольку суммарное время срабатывания максимального реле тока и промежуточного реле этих схем составляет около 5 периодов (100 мс) и значение бросков тока намагничивания за это время заметно снижается.

На линиях 10 и 6 кВ с трансформаторами на ответвлениях, которые защищаются плавкими предохранителями (например, типа ПКТ-10), в условии (11) значение должно соответствовать току трехфазного К3 за наиболее мощным из трансформаторов. Далее следует определить время плавления вставок предохранителей этого трансформатора при расчетном токе КЗ, равном току срабатывания отсечки, выбранному из условий (11) и (12). Для учета допускаемого стандартом разброса времятоковых характеристик плавких предохранителей ПКТ следует значение этого тока уменьшить на 20%:. Если время плавления t_пл ^≤ 0,1 с, то отсечка с таким током срабатывания может быть использована, но при условии, что эащищаемая линия имеет устройство автоматического повторного включения (АП В). Если t_пл ^≥ 0,1 с, то следует либо увеличить ток срабатывания отсечки до такого значения, при котором обеспечивается расплавление вставок предохранителей до момента отключения защищаемой линии, т.е. не более 0,1 с, либо увеличить время срабатывания отсечки.

Чувствительность токовых отсечек оценивается коэффициентом чувствительности, требуемые значения которых указаны в Правилах [1], а также величиной (протяженностью) защищаемой части линии электропередачи. Коэффициент чувствительности определяется по выражениям (2) и (9).

Для токовых отсечек, устанавливаемых на понижающих трансформаторах и выполняющих функции основной быстродействующей токовой защиты (при отсутствии дифференциальной защиты), чувствительность определяется по току наиболее неблагоприятного вида повреждения — как правило, двухфазного К3 на выводах ВН трансформатора (точка К2 на рис. 29) в минимальном, но реально возможном режиме работы энергосистемы. Значение коэффициента чувствительности должно быть около 2,0 [1]. Такие же требования существуют для токовых отсечек на блоках линия — трансформатор (рис. 29).

Для токовых отсечек без выдержки времени, устанавливаемых на линиях электропередачи и выполняющих функции дополнительных защит (рис. 28), коэффициент чувствительности должен быть около 1,2 при КЗ в месте установки отсечки в наиболее благоприятном по условию чувствительности режиме [1].

Коэффициент чувствительности токовых отсечек, выполненных на реле прямого действия типа РТМ (рис. 11, а), должен проверяться с учетом действительного значения токовой погрешности трансформаторов тока, если оно превосходит 10%. Для токовых отсечек, выполненных на переменном оперативном токе с дешунтированием электромагнитов отключения ЭО (рис. 12 или 13), чувствительность определяется как для режима до дешунтирования ЭО, так и для режима после дешунтирования ЭО, если после дешунтирования ЭО токовая погрешность трансформаторов тока превышает 10%. Это необходимо для того, чтобы убедиться в невозможности возврата дешунтирующих реле из-за уменьшения тока, хотя для конкретных дешунтирующих реле типа РТ-85 и РП-341 возврат маловероятен даже при максимально возможных значениях токовой погрешности 70—80% из-за низких значений коэффициента возврата этих реле. Кроме того, должны быть определены коэффициенты чувствительности для электромагнитов отключения (или включения) и, при необходимости, для реле времени типа РВМ-12 (РВМ-13) и промежуточных реле типа РП-341.

Для оценки эффективности токовой отсечки, установленной на линии электропередачи, полезно определить зону действия отсечки в процентах от всей длины линии. Протяженность зоны действия отсечки зависит от характера изменения расчетных значений тока при перемещении точки КЗ вдоль защищаемой линии. По нескольким значениям тока КЗ строится кривая спада тока (рис. 28). Могут быть построены две кривые: для трехфазных КЗ в максимальном режиме работы энергосистемы и для двухфазных КЗ в минимальном режиме. Кривые достаточно точно строятся по трем значениям токов: при КЗ в начале, середине и в конце линии, далее проводится горизонтальная прямая, ордината которой соответствует большему значению тока срабатывания отсечки, выбранному по выражениям (11) и (12). Абсцисса точки пересечения горизонтальной прямой с кривой спада тока КЗ соответствует длине зоны действия отсечки в выбранном режиме работы питающей энергосистемы и при выбранном виде КЗ. Приведенный пример построения кривых тока КЗ (первичного) и определения зоны действия отсечки по первичному значению ее тока срабатывания является правильным лишь при условии, что погрешность трансформаторов тока не превышает 10%. С увеличением погрешности трансформаторов тока зона действия отсечки уменьшается.

Как видно из примера графического определения зон действия отсечек (рис. 28), протяженность этих зон может быть весьма значительной: примерно 70% длины линии Л1 и около 50% длины линии Л2. Надо отметить, что Правилами [1] длина зоны действия отсечки не регламентируется.

Отсечка с выдержкой времени на линиях электропередачи.

Небольшая выдержка времени в пределах от 0,3 до 0,8 с позволяет задержать срабатывание отсечки последующей линии (Л1 на рис. 28) при КЗ на предыдущей линии Л2 для того, чтобы успела сработать мгновенная отсечка поврежденной линии Л2. для отсечки с небольшой выдержкой времени можно выбрать значительно меньшее значение тока срабатывания по сравнению с током срабатывания мгновенной отсечки по следующим причинам:

а) ток срабатывания по выражению (11) выбирается из условия отстройки от токов при КЗ в более удаленных точках, например при КЗ в конце зоны действия мгновенной отсечки предыдущей линии Л2 (рис. 28), при КЗ за трансформатором приемной подстанции или трансформатором на ответвлении защищаемой линии, имея в виду, что трансформаторы оборудованы быстродействующими защитами;

б) значения коэффициента надежности из этого же выражения (11) принимаются значительно меньшими, чем указано в табл. 8, так как можно не учитывать апериодическую составляющую тока КЗ, которая за время срабатывания замедленной отсечки практически полностью затухает; в распределительных сетях, где находят применение такие отсечки, значения коэффициента надежности в этом выражении (11) можно принимать в пределах 1,1—1,2 независимо от типа реле;

в) не требуется выполнения условия (12) отстройки отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов, поскольку эти токи быстро затухают;

г) на линиях с трансформаторами на ответвлениях при выполнении защиты трансформаторов с помощью плавких предохранителей (на пример, типа ПКТ-10 или ПСН-35) и при КЗ в трансформаторе селективность между плавкими предохранителями и токовой отсечкой питающей линии можно обеспечить благодаря замедлению действия отсечки.

Для выполнения выдержек времени токовых отсечек могут использоваться как реле времени, так и специальные промежуточные реле с замедлением при срабатывании (§ 5).

Неселективная токовая отсечка без выдержки времени.

Применяется в тех случаях, когда требуется мгновенное отключение таких КЗ, которые приводят к аварии, если их отключать с выдержкой времени. Например трехфазное КЗ у шин электростанции или подстанции с синхронными электродвигателями может вызвать значительное понижение напряжения на зажимах генераторов и синхронных электродвигателей. Если быстро не отключить такое КЗ, произойдет нарушение синхронной параллельной работы этих электрических машин с энергосистемой, что приведет к расстройству энергоснабжения, а возможно, и к повреждению электрооборудования.

Большую опасность для электрооборудования представляет термическое воздействие сверхтоков КЗ. Как известно, степень термического воздействия электрического тока прямо пропорциональна значению тока (в квадрате) и времени его прохождения. Если по каким-либо причинам нельзя уменьшить значение тока КЗ до такого, при котором можно без опасений отключать поврежденный элемент с выдержкой времени селективной максимальной токовой защиты, то необходимо уменьшить время отключения КЗ. Одним из наиболее простых и дешевых способов быстрого отключения КЗ является использование неселективных токовых отсечек без выдержки времени в сочетании с устройствами автоматики (АПВ, АВР), которые полностью или частично ликвидируют отрицательные последствия работы неселективных отсечек.

Ток срабатывания неселективной токовой отсечки, предназначенной для обеспечения устойчивой параллельной работы синхронных электрических машин, выбирается из условия ее надежного срабатывания в тех зонах, где трехфазные КЗ вызывают снижение напряжения в месте установки отсечки ниже допустимого значения остаточного напряжения U_ост (рис. 30, а). Значение тока срабатывания неселективной отсечки (в амперах) определяется по выражению

                                                                                             (13)

где с U_с.min — междуфазное напряжение (ЭДС) питающей энергосистемы в минимальном режиме ее работы, может приниматься в пределах 0,9— 0,95 номинального, В; Z_с.min — сопротивление энергосистемы (в минимальном режиме ее работы) до места установки отсечки, Ом; k₀ — коэффициент, отражающий зависимость остаточного напряжения U_ост в месте установки рассчитываемой отсечки от удаленности трехфазного КЗ (Z_к = k₀Z_с.min), определяется по зависимости U_*ост =f(k₀), приведенной на рис. 30, б; k_н — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1—1,2. Значения остаточного напряжения U_*ост необходимые для обеспечения параллельной работы синхронных электрических машин и различных категорий потребителей, определяются для конкретных случаев службами (группами) электрических режимов; в приближенных расчетах принимают, что для обеспечения динамической стойкости синхронных генераторов необходимо обеспечить U_*ост ≥ 0,6; синхронных электродвигателей — не менее 0,5 [1].

 

Для обеспечения успешного действия устройства АПВ (или АВР) после срабатывания неселективной токовой отсечки необходимо выполнить несколько условий, дополнительных к условию (13), в том числе:

а) выполнить согласование чувствительности и времени срабатывания неселективной отсечки с плавкими предохранителями, автоматическими выключателями или быстродействующими защитами всех элементов, питающихся по защищаемой линии и расположенных в зоне действия неселективной отсечки; это необходимо для того, чтобы при КЗ на любом из этих элементов плавкие вставки предохранителей сгорели бы раньше или защита сработала бы раньше или хотя бы одновременно со срабатыванием неселективной отсечки; при этом время гашения электрической дуги в плавких предохранителях может не учитываться, так как она погаснет после отключения линии;

б) обеспечить отстройку неселективной отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов по условию (12);

в) обеспечить отстройку неселективной отсечки от КЗ на шинах низшего (среднего) напряжения каждого из трансформаторов, включенных в зоне действия неселективной отсечки, а если это невозможно, то выполнить согласование чувствительности и времени срабатывания неселективной отсечки с защитными устройствами всех элементов низшего (среднего) напряжения.

Применяются и другие способы ускорения отключения опасных повреждений, например так называемое “ускорение действия защиты по напряжению прямой последовательности”. Для этой цели используется реле напряжения, включенное через фильтр напряжения прямой последовательности, например, типа РНФ-2.

Реле напряжения настраивается таким образом, что замыкает свои контакты при снижении напряжения прямой последовательности в месте установки защиты ниже 0,5—0,6 номинального. При этом максимальная токовая (или дистанционная) защита линии действует помимо основной выдержки времени либо мгновенно, либо с очень небольшим замедлением. Эти мероприятия применяются как дополняющие работу основных быстродействующих селективных защит линий электропередачи, сборных шин и других элементов электроустановок [3].