3. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ МАКСИМАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ И ТОКОВЫХ ОТСЕЧЕК НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ

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

Двухступенчатая токовая защита на вторичных реле прямого дей­ствия.

Для выполнения защиты с вторичными реле прямого действия не требуется специального источника оперативного тока, его функции выполняют трансформаторы тока, а сами реле прямого действия явля­ются одновременно электромагнитами отключения выключателя (рис. 2, б). Для защиты элементов распределительных сетей напряже­нием 3—10 кВ и до 35 кВ включительно рекомендуется выполнять двухступенчатую токовую защиту, состоящую из двух или трех реле типа РТВ максимальной токовой защиты РТ1—РТЗ и двух реле типа РТМ токовой отсечки РТ4, РТ5 (рис. 11). Защита выполнена по схеме неполной звезды аналогично рис. 5, а.

На рис. 11, б приведен вариант с раздельным включением реле токовой отсечки и максимальной токовой защиты с целью снижения токовой погрешности трансформаторов тока и обеспечения надежного срабатывания, главным образом, токовой отсечки.

Выбор той или иной схемы, а также количества реле для макси­мальной токовой защиты и токовой отсечки определяется расчетом чувствительности, в результате которого количество реле может быть уменьшено. Минимальным числом реле для двухступенчатой токовой защиты является два: по одному реле для максимальной токовой за­щиты и токовой отсечки, каждое из которых включено на разность токов фаз .4 и С, аналогично схеме рис. 10.

Рис, 11. Принципиальные схемы двухступенчатых токовых зашит на реле прямого

действия типа РТВ (РТ1—РТЗ) и РТМ (РТ4, РТ5) при совместном (а) и раздельном

(б) включении реле этих типов (ИП — измерительные приборы)

Однако у этой схемы имеется много недостатков, рассмотренных выше. Поэтому при проектировании новых подстанций для защиты линий 6 и 10 кВ следует предусматривать наиболее чувствительную пятирелейную схему токовой защиты, в том числе по рис. 11, а или б. Современные пружинные приводы масляных выключателей этого класса напряжения предусматривают возможность установки трех реле РТВ и двух реле РТМ [10].

Максимальная токовая защита с зависимой характеристикой на реле РТ-85.

Индукционные реле серии РТ-80 позволяют выполнять максималь­ную токовую защиту с зависимей времятоковой характеристикой и мгновенно действующую токовую отсэчку (рис. 6). В схемах защит на переменном оперативном токе используют реле типа РТ-85, которые имеют такую же конструкцию и такие же времятоковые характерис­тики, что и реле РТ-81 (рис. 6), но, кроме того, — специальные, усилен­ные контакты, предназначенные для дешунтирования электромагнита отключения ЭО (рис. 12). В нормальном режиме у реле РТ1, РТ2 размы­кающие контакты 7 замкнуты и шунтируют соответствующие электро­магниты отключения Э01, Э02 выключателя. Замыкающие контакты 2 этих реле разомкнуты, и, таким образом, ток через ЭО не проходит. При возникновении КЗ и срабатывании реле РТ его контакты пере­ключаются без разрыва цепи вторичной обмотки трансформаторов тока ТТ таким образом, что сначала замыкается контакт 2, а затем размыкается контакт /, дешунтируя ЭО. При этом через электромагнит проходит вторичный ток КЗ, он срабатывает и воздействует на запи­рающий механизм привода выключателя. В этой схеме, так же как и в предыдущей, измерительные трансформаторы тока одновременно вы­полняют функции источника оперативного тока.

На рис. 12 реле РТ-85 включены по схеме неполной звезды с двумя реле, ее особенности рассмотрены в § 2. При необходимости повышения чувствительности этой защиты к двухфазным КЗ за трансформаторами со схемами соединения обмоток звезда — треугольник-11 (рис. 4, д), а также треугольник — звезда-11, можно установить в этой схеме третье реле того же типа РТ-85 и третий электромагнит отключения, включив их в обратный провод схемы неполной звезды (аналогично реле РТЗ на рис. 5, а и 6, а).

Рис. 12, Принципиальная схема двух­фазной двухрелейной максимальной то­ковой защиты на переменном оперативном токе с дешунтированием электро­магнитов отключения ЭО1, ЭО2 с по­мощью реле типа РТ-85 (РТ1, РТ2)

реле того же типа РТ-85 и третий электромагнит отключения, включив их в обратный провод схемы неполной звезды (аналогично реле РТЗ на рис. 5, а и 6, а). При отсутствии в приводе выключателя третьего ЭО можно включить в обратный провод только катушку реле, однако предварительно несколько изменив схему внутренних соединений реле РТ-85 таким образом, чтобы его катушка и контакты 1 и 2 имели раз­дельные внешние выводы. Замыкающий контакт 2 включается парал­лельно с аналогичным замыкающим контактом 2 реле РТ1, а размы­кающий контакт 7 — последовательно с размыкающим контактом 7 реле РТ1. Катушка этого реле включается в обратный провод схемы. Таким образом, реле РТ1 типа РТ-85 и дополнительное, третье, реле РТ-85 при срабатывании вместе или по отдельности производят дешунтирование одного и того же ЭО1. При такой схеме увеличивается в два раза чувствительность измерительных органов защиты (реле РТ-85), но не повышается чувствительность для ЭО, количество которых оста­ется прежним (рис. 12). Однако учитывая, что ток срабатывания изме­рительных реле тока, как правило, значительно выше, чем ток сраба­тывания ЭО, применение предлагаемой схемы с тремя реле при двух ЭО может оказаться полезным. Область применения схем защиты с реле типа РТ-85, дешунтирующими ЭО, будет определена далее после рас­смотрения еще одной схемы защиты с дешунтированием электромагни­тов отключения.

 

Двухступенчатая максимальная токовая защита с независимой характеристикой с дешунтированием ЭО.

Схема двухступенчатой максимальной токовой защиты с незави­симой характеристикой, выполняемая на переменном оперативном токе с дешунтированием электромагнитов отключения, состоит из следующих элементов (рис. 13) :

измерительные максимальные реле тока РТ1—РТЗ максимальной токовой защиты и РТ4, РТ5 токовой отсечки, типов РТ-40 (электро­механическое реле) или РСТ-13 (электронное реле);

реле времени РВ максимальной токовой защиты типа РВМ-12 или РВМ-13 или РСМ-13 (электронное реле) ;

промежуточные реле РП1, РП2 типа РП-341, имеющие специальные усиленные контакты, предназначенные для дешунтирования электро­магнитов отключения ЭО (аналогичные таким же контактам реле типа РТ-85 на рис. 12) ;

сигнальные (указательные) реле РУ.

Защита на рис. 13 выполнена по двухфазной схеме неполной звезды, применяемой в электрических сетях 3—35 кВ. Для защиты трансформа­торов 35—220 кВ максимальная токовая защита с дешунтированием электромагнитов управления выполняется по схеме треугольника. При этом логическая часть (реле времени), исполнительный и сигналь­ный органы (промежуточные и сигнальные реле) имеют однотипное исполнение.

Рис, 13, Принципиальная схема двухступенчатой максимальной токовой защиты на переменном оперативном токе с дешумтированием электромагнитов отклю­чения ЭО1, ЭО2 с помощью реле типа РП-341 (РП1, РП2)

РТ1—РТЗ — максимальные реле тока мгновенного действия максимальной токовой защиты;   РТ4, РТ5 — то же токовой отсечки;   РВ — реле времени типа РВМ-12 (РВМ-13); РУ — реле указательные (сигнальные)

Чувствительность измерительных органов токовых защит, выпол­ненных по схемам неполной звезды и треугольника, к различным видам КЗ (рис.4) рассмотрена в § 2.

Работу логической части и исполнительных органов защиты, выпол­ненной по схеме рис. 13, рассмотрим вначале при удаленном КЗ, а за­тем — близком КЗ на защищаемой линии. При удаленном, например трехфазном КЗ в зоне действия максимальной токовой защиты сра­батывают все три измерительных максимальных реле тока РТ1—РТЗ. При этом у реле РТ1 замыкается замыкающий контакт и подключает моторчик реле времени типа РВМ-12 к вторичной обмотке того промежу­точного трансформатора тока, у которого первичная обмотка включена на вторичный ток фазы А. Размыкающий контакт реле РТ1 в это же время размыкается, чтобы не допустить питания моторчика одновременно от двух промежуточных трансформаторов тока реле времени, несмотря на то, что замкнулись замыкающие контакты других измери­тельных реле тока РТ2, РТЗ. Реле времени с заданной заранее выдержкой времени замыкает свой замыкающий контакт РВ и подключает катушки промежуточных реле РП1, РП2 к вторичным обмоткам встроенных промежуточных трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены на вторичные токи фаз А и С соответственно. При рассматри­ваемом трехфазном КЗ срабатывают оба промежуточных реле и пере­ключают свои усиленные контакты 7 и 2 таким образом, что соответ­ствующие электромагниты управления ЭО1, ЭО2 дешунтируются (так же как в схеме рис. 12). Одновременно у этих реле замыкаются контакты 3, имеющие нормальное исполнение. Это обеспечивает само-удерживание РП1, РП2 в сработавшем положении при размы­кании контакта РВ реле времени раньше, чем произойдет отключение выключателя поврежденной линии. В последнее время в реле РП-341 стали устанавливать еще один замыкающий контакт нормального испол­нения, который может быть использован для целей так называемого ближнего резервирования, предназначенного для повы­шения надежности работы устройств защиты каждого элемента элек­троустановок. Например, с помощью дополнительного замыкающего контакта реле РП-341 может быть дана команда на отключение выклю­чателя от другого источника оперативного тока — предварительно заря­женных конденсаторов. Схема с предварительно заряженными конден­саторами рассматривается далее применительно к защите трансформа­торов 35-220 кВ.

Одновременно с реле РП1, РП2 срабатывает сигнальное (указа­тельное) реле РУ.

При близком КЗ срабатывают реле РТ4, РТ5 токовой отсечки и за­мыкают свои замыкающие контакты, включенные параллельно кон­такту РВ реле времени. Происходит срабатывание реле РП1, РП2, затем дешунтирование ЭО1, ЭО2 и отключение выключателя, в этом случае без выдержки времени. Самоудерживание реле РП1, Я/72 обеспечивает надежное отключение выключателя при преждевременном размыкании контактов реле тока РТ4, РТ5, что возможно из-за уменьшения тока во вторичных цепях трансформаторов тока после дешунтирования ЭО. Это объясняется тем, что сопротивление ЭО велико по сравнению с со­противлением катушек реле и соединительных проводов. После дешун­тирования ЭО суммарное сопротивление вторичной нагрузки на транс­форматоры тока резко возрастает, вследствие чего увеличивается по­грешность трансформаторов тока и, следовательно, уменьшается ток в их вторичных обмотках и в катушках реле тока.

 

Область применения схем релейной защиты с дешунтированием ЭО.

Область применения   этих схем, выполняемых в основном с по­мощью   реле типов   РТ-85,   РП-341, ограничивается двумя   главными условиями:

минимальные токи КЗ должны обеспечивать достаточные значения коэффициентов чувствительности для токовых измерительных реле, логических и исполнительных органов (реле) и для электромагнитов отключения (после их дешунтирования) ;

максимальное значение вторичного тока, дешунтируемого при КЗ контактами реле РТ-85 или РП-341, не должно превышать 150 А при полном сопротивлении (импедансе) управляемой цепи, главным образом ЭО, не более 4 Ом при токе 4 А и не более 1,5 Ом при токе 50 А. Для реле РП-341 — не более 4,5 Ом при токе 3,5 А (по данным завода-изготовителя).

Кроме того, для схем с дешунтированием ЭО важно убедиться в том, что после дешунтирования ЭО и увеличения погрешности транс­форматоров тока и, следовательно, уменьшения значения тока в реле и в ЭО, не произойдет возврата уже сработавших реле. Расчеты показывают, что возврата сработавших реле РТ-85 не произойдет даже при самых больших реально возможных погрешностях трансформато­ров тока благодаря очень низкому значению коэффициента возврата электромагнитного элемента (отсечки) этих реле. Сказанное относится и к реле типа РП-341, имеющему такой же низкий коэффициент воз­врата. Кроме того, в схемах защиты с реле РП-341 (рис. 13) преду­смотрено самоудерживание этих реле в сработавшем положении, что предотвращает отказ защиты при преждевременном возврате измери­тельных реле тока, у которых коэффициент возврата имеет высокое значение, более 0,8.

Требуемая чувствительность ЭО и реле РВМ-12, РП-341, как пра­вило, обеспечивается для защит линий 10,6 и до 35 кВ, но не всегда обеспечивается для защит трансформаторов 110 кВ небольшой мощ­ности от 2,5 до 10 MB • А.

Наиболее серьезным препятствием для применения схем с дешунти­рованием электромагнитов управления может быть большое значение вторичного тока при трехфазном КЗ в месте установки защиты, нару­шающее условие

 

                                                                        (4)

 

где /_{к max} — первичное максимальное значение тока при трехфазном КЗ в месте установки защиты. А; n_T — коэффициент трансформации трансформаторов тока; 150 А — максимально допустимое значение тока, дешунтируемого контактами реле РТ-85, РП-341. В выражении (4) коэффициент схемы принят равным 1 для схем рис. 5,6,12,13. Например, при КЗ близ шин 10 кВ подстанций со стандартными трансформаторами 110/10 кВ мощностью 10 MB • А и выше значения токов /⁽³⁾_{1к max} могут быть более 5 кА. При коэффициентах трансфор­мации трансформаторов тока отходящих линий 10 кВ, например, n_T = 100/5 = 20 или 150/5 = 30 вторичный ток, рассчитанный по выра­жению (4), оказывается больше допустимого значения (150 А).

Для уменьшения значения вторичного тока можно увеличить коэф­фициент трансформации, но, во-первых, это связано с заменой транс­форматоров тока, а во-вторых, не всегда допустимо, поскольку ухуд­шает чувствительность ЭО и реле защиты к удаленным КЗ. Поэтому в тех случаях, когда условие (4) не выполняется, следует уточнить значение с учетом влияния токовой погрешности трансфор­маторов тока на уменьшение вторичного тока. Расчеты показывают, что при кратностях тока КЗ более 30 токовая погрешность стандартных трансформаторов тока, смонтированных в КРУ и КРУН 10 и 6 кВ, зна­чительно превышает 10% и достигает 30—50%. Следовательно, факти­ческие значения дешунтируемого тока могут находиться в пределах 0,7—0,5 от значений /_{2к max} - рассчитанных по выражению (4). Более подробно методика определения /_{2к maxc} учетом токовой погреш­ности трансформаторов тока рассмотрена в работе [5].

Схема максимальной токовой защиты с предварительно заряжен­ными конденсаторами.

Предварительно заряженные конденсаторы используются в схемах релейной защиты в качестве источника оперативного тока. Измеритель­ная часть защиты может быть при этом любой. На рис. 14 показана принципиальная схема максимальной защиты трансформатора с тремя измерительными реле тока, катушки которых включены, например, по схеме рис. 9. Размыкающие контакты этих реле включены последо­вательно в цепи катушки переменного тока реле времени РВ, которая, таким образом, в нормальном режиме находится под напряжением. При КЗ достаточно срабатывания одного из реле тока, например РТ1, чтобы размыканием его размыкающего контакта разорвать цепь пи­тания катушки реле времени. После потери питания реле времени "воз­вращается" и с заданной выдержкой времени замыкает свой контакт РВ в цепи разряда блока конденсаторов БК1 на промежуточное реле РП,

 

 

Рис, 14. Принципиальная схема цепей оператив­ного тока максимальной токовой защиты с предварительно заряженными конденсато­рами

РТ1—РТЗ — максимальные реле тока мгновенного действия; РВ — реле времени переменного тока типа Р8-225 (РВ-235) или РВ-03; РП, РУ — реле промежуточное и указа­тельное; ЭО — электромагнит отключения выключателя линии (трансформатора) ; 8KB — вспомогательный контакт привода этого выключателя; УЗ — устройство для

заряда блоков конденсаторов БК1, БК2

 

которое срабатывает за счет энергии, предварительно запасенной в кон­денсаторах. Реле РП замыкает свой контакт в цепи электромагнита отключения выключателя ЭО, который срабатывает за счет энергии, запасенной в конденсаторах БК2. Если необходимо отключить или включить несколько коммутационных аппаратов (выключателей, короткозамыкателя, отделителя), используются еще несколько бло­ков БК. Команда от защиты размножается с помощью контактов проме­жуточного реле РП.

Реле времени, отсчитывающие выдержку времени после снятия напряжения (на возврате) выпускаются двух видов: электромехани­ческие серии РВ-200 (РВ-215, РВ-225, РВ-235, РВ-245) и электронные серии РВ-03 (§5).

Схема максимальной токовой защиты с таким выполнением вы­держки   времени проста и   надежна, но лишь при условии надежного питания шинок управления (ШУ на рис. 14). На двухтрансформаторных подстанциях   это   условие   обеспечивается.   На   однотрансформаторной подстанции схему рис. 14 для защиты трансформатора применять нельзя из-за возможности ее излишнего срабатывания в то время, когда на шинках ШУ нет напряжения, реле времени РВ не имеет питания, его контакт в цепи ЭО находится в замкнутом положении и, таким образом, защита готова к срабатыванию без выдержки времени. Излишнее несе­лективное срабатывание защиты произойдет при КЗ на любой из отхо­дящих линий, если при этом сработает реле тока РТ1, РТ2 или РТЗ. Возможно излишнее срабатывание этой схемы защиты и в цикле авто­матического повторного включения   (АПВ) питающей линии. Действи­тельно, после отключения питающей линии на однотрансформаторной подстанции кратковременно исчезает напряжение, в том числе и на шин­ках ШУ, и через несколько секунд контакт РВ оказывается замкнутым. В момент АПВ линии при подаче напряжения на подстанцию в трансфор­маторе со стороны ВН возникает бросок тока намагничивания, значение которого может в несколько раз превышать номинальный ток транс­форматора и вызывать срабатывание максимальной токовой защиты. В результате замыкания любого из замыкающих контактов реле РТ1— РТЗ произойдет   мгновенное   отключение   исправного   трансформатора. Если бы защита имела выдержку времени около 1 с или больше, такое отключение было бы невозможно, так как за это время значение тока намагничивания уменьшается в десятки раз и становится значительно меньше тока срабатывания максимальной токовой защиты.

Максимальная токовая защита с собственным блоком питания. Такая защита состоит из двух частей: максимальной токовой за­щиты, измерительные органы которой могут быть включены по любой из схем, рассмотренных выше, и блока питания, который представляет собой выпрямитель — преобразователь переменного тока трансфор­маторов тока в постоянный оперативный ток, необходимый для работы логической части защиты и электромагнитов управления коммутацион­ными аппаратами.

Рис. 15. Функциональная схема максималь­ной токовой защиты с собственным блоком питания, обеспечивающим оперативный по­стоянный (выпрямленный) ток для отклю­чения выключателя В после срабатывания защиты.

 

При повреждении линии ток КЗ приводит в действие максимальную токовую защиту (рис. 15) и обеспечивает работу блока питания БП на электромагнит отключения ЭО. Такое исполнение защиты имеет достоинства: нет необходимости иметь внешние источники оперативного тока (аккумуляторные батареи, блоки конденсаторов), не требуется мощная контактная система для коммутирования больших токов (как в реле РТ-85 и РП-341), имеется возможность использования электро­магнитного привода выключателей, который значительно надежнее, чем пружинный привод. Разумеется, и стоимость такой защиты выше, чем, например, стоимость защиты с реле РТ-85 (рис. 12).

Максимальной токовой защитой с собственным блоком питания является устройство ТЗВР (изготовитель — завод "Энергоавтоматика"). Широкого применения такие устройства пока не получили.