Булычев А.В., Наволочный А.А. Методические указания - Релейная защита электрических систем. Примеры и задачи с решениями

Подождите немного. Документ загружается.

ния. Одно –

АI



– при КЗ за чисто индуктивным сопротивлением (

КЗ

90ϕ=°).

Другое –

АII



– при КЗ за чисто активным сопротивлением (

КЗ

0ϕ=°, напри-

мер, при КЗ вблизи места установки реле). Это означает, что угол

ϕ между

векторами тока

РР1 А

 

и напряжения

НР1BC

UU U==

 

, подведенными к

реле,

()

РКЗ

90ϕ=− °−ϕ и может изменяться в симметричном режиме от 0 до

90º (вектор тока опережает вектор напряжения).

Как видно, вращающий момент реле при трёхфазных КЗ в зоне действия

защиты положителен и близок к максимальному; следовательно, реле надёж-

но срабатывает. При трёхфазных КЗ вне зоны вращающий момент изменяет

своё направление на противоположное

[

]

180 270

∈° °… и реле столь же на-

дёжно не срабатывает.

2.5.4. Выбор параметров срабатывания направленных токовых защит

Направленные МТЗ необходимо отстраивать от максимальных рабочих

токов с учетом самозапуска электродвигателей в послеаварийных режимах

после отключения смежного присоединения, т.е. так же, как и обычные нена-

правленные МТЗ:

ЗЗСЗП

СЗ СЗП РАБ MAX

ВВ

kkk

II I

⋅

=⋅ = ⋅ .

В сетях с глухозаземленной нейтралью направленные МТЗ должны быть

также отстроены от токов, возникающих в неповрежденных фазах при однофаз-

ных и двухфазных коротких замыканиях на землю (если не используется блоки-

ровка действия от защит, действующих при замыканиях на землю) [2]:

СЗ З НФ

⋅

где

k – коэффициент запаса

(

)

1,15 1, 3k

÷ ;

НФ РАБ MAX 0 K0

IkI

+⋅ – макси-

мальное значение тока в неповрежденной фазе;

– доля тока КЗ в неповре-

жденной фазе

1k < ;

– максимальное значение тока при однофазном или

двухфазном КЗ на землю.

Большее из значений, полученных по первому и второму условиям,

принимается за расчетное.

Ещё одной мерой, призванной исключить неправильное действие реле

направления мощности неповреждённых фаз, является использование особых

схем защит (с т.н. пофазным пуском), которые подают сигнал на отключение

объекта

только тогда, когда срабатывают токовое реле и включенное на ток

той же фазы реле направления мощности [2]. Пример схемы двухфазной на-

правленной МТЗ с пофазным пуском показан на рис.2.22.

Дополнительно смежные защиты, действующие в одном направлении,

должны быть согласованы по чувствительности. Токи срабатывания защит

должны нарастать при их обходе против направления действия

с приращени-

ем не менее 10%. Иначе при токах КЗ, близких по значению к токам срабаты-

вания защит, некоторые из них могут подействовать неселективно.

Рис. 2.22

Следует отметить, что защиты необходимо отстраивать от максималь-

ных токов в местах их установок независимо от направления действия защи-

ты и направления передачи мощности для исключения ложного срабатывания

при повреждениях цепей напряжения защиты [2]. Если при этом чувстви-

тельность защиты недостаточна, то допускается использовать в качестве рас-

четного ток, соответствующий передаче мощности

в направлении действия

защиты.

Выдержки времени срабатывания выбираются по условию обеспечения

селективности. Согласуются защиты, действующие в одном направлении.

Время срабатывания защит должно нарастать ступенчато с приращением

при обходе их против направления действия (см. рис.2.16):

СЗ1 СЗ 3 СЗ 3 СЗ 5 СЗ 5 СЗ Н4

;; ;tt ttt ttt t

+Δ = +Δ = +Δ

СЗ 6 СЗ 4 СЗ 4 СЗ 2 СЗ 2 СЗ Н1

;; .tt ttt ttt t

+Δ = +Δ = +Δ

Здесь

СЗ Н1

t и

СЗ Н4

t – время срабатывания защит, установленных на при-

соединениях Н1 и Н4 соответственно.

Участок контролируемой электрической сети вблизи места установки

защиты, в пределах которого реле направления мощности при КЗ может не

сработать из-за недостаточной мощности на его зажимах

(

)

0U → , принято

называть

МЕРТВОЙ ЗОНОЙ.

Границу этой зоны можно определить, опираясь на следующие рассуж-

дения [2]. Пусть напряжение срабатывания реле при КЗ на границе мертвой

зоны равно:

()

СР

РК Р

sin

⋅

α−ϕ

Здесь

РК

– значение тока в токовой катушке реле при повреждении в

начале контролируемого объекта (в месте установки защиты);

ϕ – угол меж-

ду векторами тока и напряжения, подведенными к реле.

При 90-градусной схеме включения реле

(

)

РКЗ

=− °−ϕ . Угол

КЗ

между векторами тока и напряжения в первичной цепи определяется соотно-

шением удельных реактивного

(

)

УД

x и активного

(

)

УД

r сопротивлений кон-

тролируемого объекта:

УД

КЗ

УД

arctg

⎛⎞

ϕ=

⎜⎟

⎝⎠

Первичное фазное напряжение срабатывания реле:

СР

СЗ Ф ТН

⋅ ,

где

ТН

k – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Сопротивление мертвой зоны:

()

СЗ Ф

КЗ

Здесь

()

КЗ

– значение первичного тока в месте установки защиты при трех-

фазном КЗ в начале контролируемого объекта (в месте установки защиты).

Тогда протяженность мертвой зоны:

УД

= ,

где

УД

УД УД

– удельное полное сопротивление контролируемого

объекта.

2.6. Дифференциальные защиты трансформаторов

Принцип действия дифференциальных защит основан на пофазном

сравнении токов параллельно установленных защищаемых объектов –

ПОПЕ-

РЕЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ

или токов до и после защищаемого объ-

екта –

ПРОДОЛЬНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ. В отличие от рассмотрен-

ных выше максимальных токовых защит (с относительной селективностью)

дифференциальные защиты обладают свойством абсолютной селективности.

Дифференциальная токовая защита используется в качестве основной

быстродействующей защиты трансформаторов мощностью 6,3 МВА и выше,

параллельно работающих трансформаторов мощностью 4 МВА и выше, а

также трансформаторов мощностью 1 МВА и выше, если токовая отсечка по-

следних не обладает достаточной чувствительностью, а МТЗ имеет выдержку

времени более одной секунды [3].

Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей,

отличающих её от продольных дифференциальных защит линий [2, 3, 4].

Во-первых, фазные токи до и после защищаемого трансформатора от-

личаются

по величине уже в нормальном режиме его работы (при отсутствии

повреждений в зоне действия дифференциальной защиты). Эта ситуация

практически может быть разрешена предварительным выравниванием токов в

плечах защиты (т.е. за трансформаторами тока на сторонах высшего и низше-

го напряжений) за счёт подбора трансформаторов тока с нужными коэффици-

ентами трансформации. Кроме того, для

реализации дифференциальной за-

щиты промышленностью выпускаются специальные реле серий РНТ и ДЗТ,

содержащие т.н. уравнительные обмотки с регулируемыми числами витков

для дополнительного выравнивания действия токов в плечах защиты.

Во-вторых, токи на стороне высшего и низшего напряжений (ВН и НН)

защищаемого трансформатора могут отличаться ещё и

по фазам, когда спо-

собы соединения первичных и вторичных обмоток силового трансформатора

не совпадают. В этом случае выравнивание вторичных токов достигается из-

менением способов соединения вторичных обмоток трансформаторов тока на

обратное по отношению к защищаемому трансформатору (рис. 2.23).

В-третьих, при выборе тока срабатывания дифференциальной защиты

необходимо обязательно учитывать бросок тока намагничивания при

вклю-

чении (восстановлении питания) защищаемого силового трансформатора.

В-четвёртых, при отстройке тока срабатывания защиты от тока неба-

ланса нужно учитывать две дополнительные составляющие этого тока. Пер-

вая обусловлена неполным выравниванием действия вторичных токов при

подборе коэффициентов трансформации трансформаторов тока или при вы-

нужденном выставлении округлённых значений чисел витков уравнительных

обмоток. Вторая

составляющая вызвана наличием РПН.

Рис. 2.23

Получили распространение следующие разновидности дифференциаль-

ных защит трансформаторов: дифференциальная токовая отсечка, дифферен-

циальная защита без торможения и дифференциальная защита с торможением

[2, 3, 4].

ИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА

выполняется на основе обычных токовых реле

РТ-40, включенных без насыщающихся

трансформаторов тока (рис. 2.24). Основное

достоинство дифференциальной отсечки –

простота и связанные с этим дешевизна и

меньшая сложность при выборе уставок. Од-

нако главный недостаток такой защиты –

большой ток срабатывания – часто приводит к

недостаточной чувствительности и, соответ-

ственно, невозможности использования этой

разновидности

дифференциальной защиты.

ИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА БЕЗ

ТОРМОЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕЛЕ СЕРИИ

РНТ

(РНТ-565) используется, главным образом, на

трансформаторах без регулирования напря-

жения под нагрузкой (РПН). Упрощенная

конструкция реле РНТ-565 представлена на

рис. 2.25. Здесь

ВТ

– вторичная обмотка;

КЗ

– короткозамкнутая обмотка;

РАБ

– ра-

бочая обмотка, число витков которой может быть выставлено в интервале от

8 до 35 с точностью до одного витка;

УР1

УР2

– уравнительные обмотки,

для каждой из которых может быть выставлено число витков от 0 до 34 также с

шагом в один виток. Благодаря использованию в конструкции реле насыщающе-

Рис. 2.24

гося трансформатора тока (НТТ)

и короткозамкнутой обмотки

удаётся снизить ток срабатыва-

ния защиты и повысить её чув-

ствительность. Один из возмож-

ных вариантов исполнения диф-

ференциальной защиты двухоб-

моточного трансформатора на

основе реле РНТ-565 представ-

лен на рис. 2.26.

Рис. 2.26

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНУЮ ЗАЩИТУ С ТОРМОЖЕНИЕМ на основе реле серии ДЗТ

(например, ДЗТ-11) обычно устанавливают на трансформаторах с РПН. На

упрощенной схеме реле ДЗТ-11 (рис. 2.27)

– т.н. обмотка торможения,

число витков которой может быть выставлено из следующего ряда: 1, 3, 5, 7,

9, 11, 13, 18, 24. Характеристики рабочей и уравнительных обмоток те же, что

и для реле РНТ-565. Благодаря наличию обмотки торможения на магнитопро-

воде НТТ ток срабатывания защиты выбирают только по условию отстройки

от броска тока намагничивания (ток небаланса не учитывают). Обычно

это

приводит к ещё большему увеличению чувствительности защиты. Однако

Рис. 2.25

существуют ситуации, когда большей чувствительностью обладает всё же

защита на основе реле РНТ, поэтому в общем случае может быть рекомендо-

ван алгоритм выбора разновидности защиты, предполагающий проверку воз-

можности использования каждой из трёх перечисленных выше защит в том

же порядке.

Рис. 2.27

2.6.1. Выбор тока срабатывания дифференциальных защит

Расчёты дифференциальных защит двухобмоточных трансформаторов с

большим диапазоном регулирования напряжения (

РПН %

10 %U

≥ ) следует

начинать со стороны ВН, так как именно на этой стороне установлено уст-

ройство РПН [4].

Ток срабатывания дифференциальной защиты отстраивается от броска

тока намагничивания (для всех защит) и от тока небаланса (кроме защиты с

торможением), т.е. соответственно:

СЗ ВН ОТСР НОМ Т

IkI≥⋅ ;

СЗ ВН З НБ

kI≥⋅ ,

где

ОТСР

k – коэффициент отстройки от броска тока намагничивания, для

дифференциальной токовой отсечки

(

)

ОТСР

34k

≈

÷ , для реле типа РНТ

ОТСР

1, 3k = , для реле ДЗТ –

ОТСР

1, 5k

;

НОМ Т

I – номинальный ток трансфор-

матора;

k – коэффициент запаса, для дифференциальной токовой отсечки и

для реле типа РНТ

1, 3k =

, для реле ДЗТ –

1, 5k

;

НБ

– ток небаланса.

При наличии РПН бросок тока намагничивания рассчитывают для его

(РПН) крайнего «отрицательного» положения [4]:

()

НОМ Т

НОМ I РПН

⋅⋅−Δ

где

– номинальная мощность трансформатора;

НОМ I

U – его номинальное

первичное напряжение;

РПН

UΔ

– половина полного диапазона регулирования

напряжения на стороне ВН, относительное значение.

Ток небаланса включает в себя три составляющие:

НБ НБ НБ НБ

III

′′′′′′

=++.

Первая обусловлена погрешностью трансформаторов тока:

(3)

НБ АПЕР ОДН КЗ ВНЕШН MAX ВН

εIk k I

′

=⋅⋅⋅ ,

где

АПЕР

k – коэффициент, учитывающий наличие апериодической состав-

ляющей тока КЗ,

АПЕР

2k = для дифференциальной токовой отсечки,

АПЕР

для защит с НТТ (реле РНТ, ДЗТ);

ОДН

k – коэффициент однотипности,

ОДН

1k = , так на сторонах ВН и НН установлены различающиеся трансформа-

торы тока; ε – учитывает допустимую погрешность трансформаторов тока за

счёт потребления тока намагничивания,

ε 0,1

;

(3)

КЗ ВНЕШН MAX ВН

I – ток трёх-

фазного КЗ за трансформатором (за зоной действия дифференциальной защи-

ты) в максимальном режиме, приведённый к стороне ВН.

Вторая составляющая тока небаланса вызвана наличием РПН:

(3)

НБ РПН КЗ ВНЕШН MAX ВН

IUI

′′

=Δ ⋅ .

Третья – обусловлена невозможностью установки на коммутаторах реле

РНТ и ДЗТ расчётных дробных чисел витков:

ВН РАСЧ ВН

(3)

НБ КЗ ВНЕШН MAX ВН

ВН РАСЧ

ϖϖ

−

′′′

=⋅

;

или неполным выравниванием токов в плечах защиты при подборе транс-

форматоров тока:

2 ВН 2 ВН

(3)

НБ КЗ ВНЕШН MAX ВН

2 ВН

−

′′′

=⋅

где

ВН РАСЧ

– расчётное число витков уравнительной обмотки, включенной

на стороне ВН;

ВН

– принятое целое число витков той же обмотки;

2 ВН

2 НН

– средние значения вторичных номинальных токов за трансформатора-

ми тока на сторонах ВН и НН соответственно,

СХ ВН

2 ВН

ТТ ВН

НОМ I

=⋅

⋅

СХ НН

2 НН

ТТ НН

НОМ II

=⋅

⋅

;

СХ

– коэффициент, учитывающий схему включе-

ния вторичных обмоток трансформаторов тока и обмоток реле,

СХ ВН

3k = ,

СХ НН

1k = ;

ТТ

k – коэффициенты трансформации трансформаторов тока, уста-

новленных на сторонах ВН и НН защищаемого силового трансформатора.

2.6.2. Расчёт чисел витков обмоток реле РНТ-565 и ДЗТ-11

Определяется ток срабатывания реле для стороны ВН:

СЗ ВН СХ ВН

СР ВН

ТТ ВН

⋅

Рассчитывается и округляется в меньшую сторону число витков урав-

нительной обмотки на стороне ВН (первой, см. рис. 2.26):

СР

ВН РАСЧ

СР ВН

= ,

где

СР

F – магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания реле, для

реле РНТ-565 и ДЗТ-11

СР

100 5 АвитковF =± ⋅ .

Рассчитывается и округляется в ближайшую сторону число витков вто-

рой уравнительной обмотки (включенной на стороне НН):

2 ВН

НН РАСЧ ВН РАСЧ

2 НН

ϖϖ

=⋅

2.6.3. Проверка чувствительности защиты

Рассчитывается коэффициент чувствительности защиты:

Р MIN

СР

где

Р MIN

I – ток в реле, соответствующий минимальному току повреждения в

зоне действия, от которого защита должна сработать;

СР

– ток срабатывания

реле для той же стороны, для которой выше был определён

Р MIN

I .

Обычно необходимо, чтобы

2k ≥

, в крайнем случае

1, 5k ≥

[4].

2.6.4. Особенности расчёта дифференциальной защиты без торможения

Производится предварительный расчёт тока срабатывания защиты без

учёта неизвестной третьей составляющей тока небаланса. Далее осуществля-

ется предварительная (по той же причине) проверка чувствительности защи-

ты. Если защита по чувствительности проходит, производится расчёт чисел

витков уравнительных обмоток, уточняется значение тока небаланса и прове-

ряется надёжность отстройки тока срабатывания защиты от уточнённого

зна-

чения тока небаланса. Если отстройка не обеспечена, расчёт повторяется

вновь для нового значения тока срабатывания, отстроенного от уточнённого

тока небаланса. Далее, как и для любой разновидности дифференциальной

защиты, производится окончательный расчёт коэффициента чувствительно-

сти и выполняется проверка трансформаторов тока на 10%-ю погрешность.

2.6.5. Особенности расчёта дифференциальной защиты с торможением

Первая особенность связана с отсутствием необходимости учёта тока

небаланса при выборе тока срабатывания защиты и, соответственно, в упро-

щении процедуры расчёта, которая для реле серии РНТ имела, возможно, ре-

курсивный характер.

Рис. 2.28

Вторая особенность связана с необходимостью расчёта числа витков

тормозной обмотки и выбором места её включения. На двухобмоточных по-

нижающих трансформаторах тормозную обмотку включают в плечо защиты,

противоположное стороне источника питания (рис. 2.28), чтобы загрубление

действия реле происходило только при внешних КЗ (при повреждениях в зоне

действия защиты тормозная обмотка током КЗ не

обтекается). Число витков

обмотки:

ЗНБНН НН

(3)

КЗ ВНЕШН MAX НН

⋅

где

k – коэффициент запаса,

1, 5k

;

НБ НН

I – ток небаланса, пересчитанный

с использованием наименьшего коэффициента трансформации защищаемого

трансформатора с РПН на ту сторону, где установлена тормозная обмотка

(сторону НН),

(

)

НБ НН НБ ВН НОМ I РПН НОМ II

1IIU UU=⋅ ⋅−Δ ;

НН

– число витков