Максимальний струмовий захист

Максимальний струмовий захист (МСЗ) відносять до струмових захистів, що реагують на величину струму в елементі, що захищається, і приводиться у дію, якщо струм перевищить деяке заздалегідь установлене значення. Зростання струму в порівнянні з його значенням у нормальному режимі роботи системи електропостачання - характерна ознака коротких замикань. Тому струмові захисти були розроблено одними з перших. Вони знайшли широке застосування для захисту від к. з. ліній електропередач, трансформаторів, генераторів і двигунів.

Принцип дії МСЗ показано на рис. 16.1. Кожний елемент або ділянка мережі (на малюнку ділянки мережі умовно виділені шинами А, Б, В, Г) має самостійний захист, установлений з боку джерела живлення. Обладнання захисту містить струмовий вимірювальний або пусковий орган (максимальне реле струму), який безупинно одержує інформацію про стан елемента, що захищається, і спрацьовує при певному заздалегідь встановленому значенні струму. Для забезпечення селективної дії служить орган витримки часу, що забезпечує необхідний час спрацьовування захисту, яке тим більше, чим ближче захист розташований до джерела живлення.

Рис. 16.1. Розміщення обладнань МСЗ у мережі з однобічним харчуванням і узгодження їх характеристик з незалежною витримкою часу

У нормальному режимі роботи мережі МСЗ не приходить у дію від струмів навантаження, тому що її струм спрацьовування встановлюється більше максимального робочого струму, що захищається елемента. При коротких замиканнях, коли струм стає значно більше струму навантаження, захист спрацьовує й відключає вимикач елемента, що захищається.

МСЗ характеризують відносної селективністю. При короткім замиканні, наприклад, у крапці К1 (рис. 16.1) струм к. з., протікаючи по всій мережі, викликає спрацьовування пускових органів усіх захистів. Однак ушкоджена ділянка відключиться найближчим вимикачем Q7, тому що захист, що діє на нього, має найменшу витримку часу t,. Таким чином, к. з. у крапці О перебуває в зоні дії захисту 7, а для інших захистів є зовнішнім, тобто поза зоною їх дії. Якщо ж по яким- або причинам ушкоджена ділянка не відключиться (несправність захисту 7 або вимикача Q1), то він може відключитися через час t2 наступним захистом 2 і вимикачем Q2. Отже, МСЗ має в загальному випадку основну й резервну зони дії. Так, наприклад, захист 2 служить основний для ділянки БВ і резервної для ділянки ВГ, а захист 3 - основної для ділянки АБ і резервної для ділянки БВ.

Основні параметри МСЗ: струм спрацьовування й час спрацьовування (витримка часу). Крім того, захист повинна мати необхідну чутливість, оцінювану коефіцієнтом чутливості.

Струм спрацьовування МСЗ, тобто мінімальне значення струму у фазах елемента, що захищається, при якім захист діє, вибирають із наступних умов:

- струмові вимірювальні реле захисту не повинні спрацьовувати в робочому режимі, у тому числі й у режимі тривалих допустимих перевантажень,

- струмові реле захисту, що спрацювали при зовнішніх к. з., повинні вернутися у вихідний стан після відключення к. з. Тому струм повернення захисту повинен бути більше струму навантаження в перехідному режимі після відключення к. з.

Пояснимо це на прикладі захисту мережі (рис. 16.1), використавши графік зміни струму в часі при виникненні к. з. і після його відключення (рис. 16.2). При к. з. у крапці Kt струм 1 О, протікаючи по всій мережі, викликає спрацьовування струмових пускових органів усіх захистів. По закінченні часу спрацьовування tc захисту 7 остання впливає на вимикач 07, і він відключає ушкоджену ділянку ВТ (рис. 16.1). Струм у неушкоджених ділянках мережі поменшається до значення (рис. 16.2). Однак якийсь час робочий струм у перехідному режимі після відключення к. з. може бути більше струму внаслідок самозапуску підключених до мережі електродвигунів. Останні через зниження напруги під час к. з. гальмуються, а при відновленні напруги після відключення к. з. самозапускаються.

За час існування к. з. захисту 2 і 3 (рис. 16.1), що мають витримку часу більше, чим у захисту 7, не встигають спрацьовувати й після відключення к. з. повинні вернутися у вихідний стан. Однак це відбудеться, якщо виконується умова. А якщо ні, то й за умови, що тривалість самозапуску значно більше щаблі витримки часу, наприклад, захист 2 не вернеться у вихідний стан і неушкоджена ділянка БВ мережі відключиться (неправильне спрацьовування). Вираження селективна дія, що забезпечує, захисту, уважають визначальним при встановленні струму спрацьовування захисту.

Збільшення струму навантаження при розрахунках у перехідному режимі після відключення к. з. ураховується коефіцієнтом самозапуску, що залежать від схеми й параметрів мережі й сполуки навантаження.

Неточність розрахунків і погрішності реле враховують коефіцієнтом надійності (відбудування).

Рис. 16.2. Характер зміни струму в мережі при нормальному режимі к. з. і відключенні к. з.

Тому що відношення струму спрацьовування захисту до струму повернення є коефіцієнт повернення до,

Струм спрацьовування захисту є первинним струмом, що протікають у фазах елемента, що захищається, при якім захист спрацьовує. Для вторинних реле захисту визначають струм спрацьовування реле з урахуванням коефіцієнта трансформації трансформаторів струму і схеми включення трансформатора ТА й реле схеми, що характеризується коефіцієнтом, у симетричному режимі

За значенням струму вибирають уставку струму спрацьовування, де Ів - фактичний струм відповідно до положення покажчика на шкалі реле, при якім воно повинне спрацьовувати. У практичних розрахунках ухвалюють наступні значення коефіцієнтів, що входять у вираження: для реле типу РТ-40 і РТ-80 Кн = 1,2, Кв = 0,85; для реле типу РТВ Кн = 1,3, Къ = 0,7. Коефіцієнт самозапуску для ліній напругою 10 кВ із перевагою побутового навантаження ухвалюють рівним Ксзп = 1,2...1,3, в інших випадках Ксзп може бути знайдений приблизно по різних методиках.

При наявності послідовно включених захистів їх погодять по чутливості, ухвалюючи струм спрацьовування кожного наступного захисту, розташованої ближче до джерела харчування, більше струму спрацьовування попереднього захисту

де - коефіцієнт надійності узгодження суміжних захистів по чутливості (якщо обидві захисти з реле РТ-85 1,3; якщо з реле РТВ - максимальні робітники струми в місці установки розглянутих захистів.

При визначенні струму спрацьовування реле по вираженню (10.12) ухвалюють найбільше значення з із отриманих по вираженнях.

Чутливість захисту оцінюють коефіцієнтом чутливості, що представляють собою відношення мінімального струму к.з. зони, що наприкінці захищається, до струму спрацьовування захисту

де - уточнене (з обліком обраної уставки) значення струму спрацьовування захисту.

Для основної зони обов'язкове значення Кч> 1,5, а для зони резервування Кч> 1,2. Наприклад, для захисту 2 (рис. 16.1) коефіцієнт чутливості повинен бути при к.з. у крапці і Кч > 1,2 при к.з. у крапці Кх.

Розрахунки МСЗ на змінному оперативному струмі має деякі особливості. Так, для схем з реле прямої дії типу РТВ і РТМ струм спрацьовування реле повинен бути не менш, де 7ymin - мінімальна уставка струму спрацьовування реле. Для МТЗ, виконуваних за схемою дешунтирования електромагнітів відключення вимикачів за допомогою реле РТ-85 або РП-341, слід переконатися, що після дешунтирования не відбудеться повернення зазначених реле через зниження вторинного струму трансформатора ТА. Для цього визначають коефіцієнт чутливості захисту по вираженню

де І - струмова погрішність трансформаторів струму ТА після дешунтирования (визначають по малюнкові 10.9 при струмі к.з., що забезпечує надійне спрацьовування захисту), %; ДО, - коефіцієнт повернення (для електромагнітного елемента реле РТ-85 і РП-341 А, = 0,4).

Для перевірки надійності спрацьовування електромагнітів відключення після них дешунтирования визначають коефіцієнт чутливості

Мінімальне значення коефіцієнта чутливості для електромагнітів повинне бути на 20 % більше прийнятого для відповідних захистів (для МТЗ в основній зоні Кчл> 1,5 і

де /- струмова погрішність, % (визначають при струмі, що забезпечує надійне спрацьовування електромагніту); п7 — коефіцієнт трансформації трансформатора ТА; /з -струм спрацьовування електромагніту відключення, рівний 5 А (РТМ) або 3,5 А (з дешунтированием котушки відключення).

Кчэо >1,8, у зоні резервування А"год з> 1,2 і Кч >1,44).

Слід переконатися в тому, що максимальне значення вторинного дешунтируемого струму Iне перевищує значення припустимого струму /доп для контактів реле РТ-85 або РП-341.

Час спрацьовування захисту - другий основний параметр МТЗ. Захист може мати незалежну, обмежено залежну й залежну (мал. 10.15) тимчасові характеристики. Захист із незалежною характеристикою виконують, наприклад, за допомогою реле струму РТ-40 і реле часу типу ЭВ або РВМ, а МТЗ із обмежено залежною характеристикою - за допомогою реле типу РТВ, РТ-80 або РТ-90. В останніх можна виділити залежну від струму частина характеристики й незалежну частину, причому перехід на незалежну частину характеристики відбувається в різних типів реле при різній кратності струму в обмотці реле /р стосовно струму спрацьовування реле /з р. Залежну характеристику мають плавкі запобіжники, яку називають також времятоко- виття, або захисної, характеристикою запобіжника. Слід зазначити, що фактичні захисні характеристики запобіжників можуть відрізнятися від типових, наведених у каталогах, тому їх зображують у вигляді зони, обумовленої зрушенням типової характеристики на 20 % уліво й вправо.

Витримки часу МТЗ із незалежними характеристиками вибирають по східчастому принципу, згідно з яким кожний наступний захист у напрямку до джерела харчування має витримку часу більше, чим у попереднього захисту (див. мал. 10.13),

Щабель витримки часу (щабель селективности) At залежить від типів використовуваних реле часу, вимикачів і їх приводів і звичайно становить 0,4...0,6 с.

Рис. 10.15. Незалежна (я), обмежено залежна (б) і залежна (в) характеристики часу спрацьовування МТЗ:

У схемах сільського електропостачання застосовувані максимальні струмові захисти мають різнотипні тимчасові характеристики, і узгодження часу їх спрацьовування проводять шляхом побудови карти селективности. На ній у загальних координатах зображують характеристики всіх захистів tc3 =Л!), які погоджені так, щоб у всім діапазоні струмів найбільше зближення характеристик захистів суміжних ділянок не було менше А1= (Кн із - 1)1СЗ по струму й щабля селективности At за часом (де Кнс - коефіцієнт надійності узгодження суміжних захистів по чутливості; /сз - струм спрацьовування попереднього захисту).

Порядок побудови карти селективности й принципи узгодження пояснимо на прикладі (мал. 10.16), де максимальний струмовий захист 3 має незалежний Ьо характеристику, захист 2- обмежено залежну, а захист 1 трансформатора Т2 здійснюється запобіжником.

Рис. 10.16. Карта селективности:

Д/2 і Д/, - щаблі витримки часу при узгодженні захистів 1,2» 2,.?; tc l2 - час спрацьовування захисту 2 при струмі узгодження захистів 2 і 3; /в - уставки витримки часу зашитий; а - контрольна крапка для добору характеристики другого захисту; заштриховані області - діапазони струмів спільної дії захистів.

По осі абсцис відкладають значення струмів спрацьовування всіх захистів /с із и максимальних струмів короткого замикання / до в місці установки захистів. Зазначені струми попередньо визначають розрахунками, і вони повинні бути наведені до одному щаблю напруги. У цьому випадку значення струму к.з. у крапці Кг і струму спрацьовування захисту 3 доцільно привести до напруги нижчої сторони трансформатора 77:

де ДО, = Um/U„„ - лінійний коефіцієнт трансформації трансформатора Т1.

Побудова карти починають із нанесення характеристики, самої вилученої від джерела харчування захисту (перший захист) в межах від струму спрацьовування /із з1 до струму к.з. I% у місці її установки. Далі визначають умови узгодження першого захисту з наступної (другий), розташованої ближче до джерела харчування. Для цього з діапазону струмів, де обидві захисти можуть діяти спільно, визначають струм узгодження, при якім характеристики цих захистів ближче всього сходяться. Якщо характеристики першої й другий захистів залежні або обмежено залежні, то струмом узгодження буде максимальний струм к.з. у місці установки першого захисту, а якщо характеристика другого захисту незалежна, то струмом узгодження буде струм спрацьовування другого захисту.

До часу спрацьовування /із з1 попередньої (першої) захисту при струмі узгодження (у цьому випадку 1 ДО) додають щабель витримки часу At і знаходять контрольну крапку а, через яку повинна пройти характеристика другого захисту. Для добору необхідної тимчасової характеристики другого захисту визначають координати контрольної крапки: /сз2 = /сз1 + Д/; =1 до\ (А/ = = 0,6...0,8 із для реле РТ-80 і А/ = 0,7...1,0 із для реле РТВ).

де Л:з(х3) - коефіцієнт схеми; I - струм уставки реле другий зашиті; п, - коефіцієнт трансформації трансформаторів струму другого захисту.

Задавшись координатами декількох крапок на характеристиці другого захисту, будують по них зазначену характеристику на карті селективности. При цьому струм в іменованих одиницях для заданих крапок

З наведених у каталогах типових характеристик реле другого захисту підбирають необхідну характеристику, на якій буде лежати контрольна крапка із заданими координатами. На типових характеристиках реле захисту по осі абсцис указують не значення струмів в амперах, а кратність струму в реле до струму спрацьовування реле у відносних одиницях або відсотках, тобто

Тоді координату контрольної крапки по осі струму визначають по вираженню

Аналогічно погоджують наступну (третю) захист із другий. Після визначення основних параметрів захисту слід перевірити трансформатори струму відповідно до п. 10.5.

Схеми виконання МТЗ. У сільських електричних мережах напругою 6...35 кВ із ізольованої нейтралью для виконання вимірювальної частини МТЗ застосовують переважно двофазну двухрелейную схему (неповна зірка із двома реле). Захист виконується на змінному оперативному струмі з використанням реле прямої дії типу РТВ або реле непрямої дії РТ-85, що мають залежну характеристику часу спрацьовування. Принципова (повна) схема МТЗ із реле РТВ наведено на малюнку 10.17, а.

Реле РТВ вбудовують у пружинні приводи вимикачів напругою 6...35 кВ. При спрацьовуванні реле діють на механізм, що розчіплює, вимикача, після чого він відключається. Схема МТЗ із реле РТВ досить проста, однак не завжди забезпечує необхідну чутливість, і тому її застосування обмежене. Широке використання в сільських мережах одержала схема МТЗ із реле РТ-85 з дешунтированием електромагнітів відключення вимикача (мал. 10.17, б). Схема досить надійна й забезпечує більш високу чутливість. Обидві схеми використовують в основному для захисту ліній і шин нижчої напруги підстанцій.

Рис. 10.17. Схеми МТЗ із обмежено залежною витримкою часу на змінному оперативному струмі:

а - з реле прямої дії типу РТВ; б-б- з реле РТ-85, дешунтирующих електромагніти відключення

Для захисту трансформаторів з вищою напругою 35, 110 і 220 кВ від зовнішніх к.з. використовують МТЗ, яку виконують із незалежною тимчасовою характеристикою. Принципова двофазна двухрелейная схема МТЗ із незалежною характеристикою наведено на малюнку 10.18. У схемі захисту використовують реле РТ- 40, сериесное реле часу РВМ-13 і сериесные проміжні реле РП-341, які включають послідовно у вторинні ланцюги трансформаторів струму ТА, що захищається елемента.

Рис. 10.18. Схема МТЗ із незалежною витримкою часу на змінному оперативному струмі:

а - ланцюги струму; б-б- вторинні ланцюги реле часу типу РВМ; в - вторинні ланцюги проміжних реле РП-341

Реле часу РВМ складається з однофазного синхронного мікродвигуна М с редуктором, двох проміжні трансформаторів, що насичуються, TL1, TL2 і контактної системи. Трансформатори TL забезпечують сталість напруги на двигуні при зміні в широких межах струму в первинній обмотці ТА. При шунтуванні вторинних обмоток ТИ: 2 і TL2:2трансформаторів ємністю й активним опором поліпшуються форми кривої вторинної напруги. Проміжне реле РП-341 має потужні перемикаючі контакти, за допомогою яких відбувається дешунтирование електромагнітів відключення вимикача. Реле включається у вторинний ланцюг трансформаторів струму також через проміжний трансформатор, що насичується, TL3 (TL4). Електромагнітне реле постійного струму підключається до TL3 (TL4) через випрямляч. Конденсатор на вторинній обмотці TL3:2 (TL4:2) служить для обмеження напруги й згладжування його піків, що з'являються при насиченні трансформатора TL.

При короткім замиканні в елементі, що захищається, спрацьовують одне або два реле струму КА й замикають свої контакти в ланцюзі пуску мікродвигуна М реле часу КТ. За допомогою редуктора частота обертання двигуна знижується до такого значення, щоб вихідний важіль механізму з рухливими контактами реле рухався протягом 4 із для реле РВМ-12 і 10 із для РВМ-13. У межах цих значень установлюють уставку витримки часу для імпульсного й замикаючого контактів реле. При замиканні контакту реле часу РВМ спрацьовують одне або два проміжні реле KL. Посилений контакт безобрывного перемикання реле АХ забезпечує підключення електромагніту відключення YAT вимикача у вторинний ланцюг трансформатора струму ТА, спочатку шунтируя YAT, а потім дешунтируя його. Замість зазначених реле використовують реле РВС-13 і РП-361.

Якщо схеми МТЗ із дешунтированием не проходять по чутливості, то захист виконують із харчуванням оперативних ланцюгів від попередньо заряджених конденсаторів. У цьому випадку електромагніти керування підключають до блоків конденсаторів контактами реле струму РТ-85 або сериесного проміжного реле РП-321.

На малюнку 10.19 показаний оперативний ланцюг двоступінчастому МТЗ трансформатора, установлюваної на стороні вищої напруги. При виникненні к. з. реле часу РВМ із меншою витримкою часу підключає контактом КТ: 1 електромагніт відключення Yatвыключателя на стороні нижчої напруги до блоку конденсаторів GC1. Останній, розряджаючись, викликає спрацьовування електромагніту й відключення вимикача. Потім через якийсь час замикається контакт КТ: 2 і відбувається спрацьовування проміжного реле KL і електромагніту включення YA З короткозамикача на стороні вищої напруги.

У мережах напругою 110...220 кВ із ефективно заземленої нейтралью для здійснення МТЗ застосовують схему включення трансформаторів струму в трикутник, а реле в зірку (трикутник із двома або трьома реле).

Рис. 10.19. Оперативні ланцюги керування, що харчуються від попередньо заряджених конденсаторів

При виконанні МТЗ із використанням електромеханічних реле в сільських мережах не завжди може бути забезпечена необхідна чутливість. У першу чергу це стосується захисту трансформаторів. Тому для підвищення чутливості МТЗ трансформатора в більшості випадків виконують із пуском по напрузі. Для цього використовують комбінований пусковий орган (мал. 10.20), виконуваний за допомогою мінімального реле напруги KVи реле напруги зворотної послідовності KVZ. При використанні пускового органа МТЗ можна не відбудовувати захист від струмів самозапуску, тобто не враховувати коефіцієнт Кст у вираженні (10.11). Струм спрацьовування захисту зменшується, а чутливість підвищується. Реле Kvпускового органа перемикає свій контакт або при значнім зниженні напруги, що характерно для симетричних (трифазних) к.з. у мережі, або з появою напруги зворотної послідовності, що служить ознакою двофазного к.з. Таким чином, пуск схеми МТЗ, наприклад мікродвигуна Мреле часу (див. мал. 10.18), відбувається тільки в режимах короткого замикання.

Для захисту секционированных сільських ліній напругою 6...10кВ крім розглянутих раніше схем застосовують обладнання струмового захисту типу ТЗВР. Воно містить максимальний струмовий захист із регульованою обмежено залежною тимчасовою характеристикою, струмове відсічення, вказівне реле, електромагніт відключення із блоком живлення й орган оперативного випробування працездатності обладнання. Обладнання ТЗВР має підвищену чутливість і дозволяє при узгодженні суміжних захистів на секционированных лініях напругою 6...10кВ із мережним резервуванням забезпечувати селективность їх дії без істотного збільшення часу спрацьовування захисту на головному вимикачі лінії.

Оцінка МТЗ. Загальну оцінку МТЗ проводять із урахуванням основних вимог: селективности, чутливості, швидкодії й надійності функціонування. Селективность дії МТЗ забезпечується тільки в радіальних мережах з однобічним харчуванням. Захист не є швидкодіючому, тому що її селективность досягається за рахунок створення витримки часу. У зв'язку зі збільшенням витримки часу захист, розташована ближче до джерела харчування, може мати неприпустимо великий час спрацьовування з погляду термічної стійкості елементів, що захищаються, мережі. Це вважають істотним недоліком. Чутливість захисту в ряді випадків може виявитися недостатньої через малу кратність мінімального струму к.з. зони, що наприкінці захищається, до максимального струму навантаження.

Рис. 10.20. Схема комбінованого пускового органа напруги

Максимальний струмовий захист простий по виконанню, надійна й зручна в експлуатації. Тому, незважаючи на зазначені недоліки, МТЗ широко застосовують у якості основного захисту сільських мереж з однобічним харчуванням.