🗊Презентация Токовые защиты. Принцип действия и классификация токовых защит

ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ Принцип действия и классификация токовых защит Принцип действия токовых защит основан на увеличении тока в защищаемом элементе при КЗ и ненормальных режимах работы (например, перегрузках) по сравнению с током нормального нагрузочного режима. Классификация токовых защит. Токовые защиты можно классифицировать по следующим признакам: 1) по способу обеспечения селективности: - максимальные токовые защиты; - токовые отсечки; 2) по роду оперативного тока: - на постоянном или выпрямленном оперативном токе; - на переменном оперативном токе; 3) по числу ТТ в фазах защищаемого элемента и числу пусковых токовых реле защиты: - трехфазные, которые могут быть двух-, трех-, четырех- или однорелейными; - двухфазные, которые могут быть двух-, трех- или однорелейными; - однофазные однорелейные; 4) по способу воздействия на привод выключателя: - токовые защиты с реле косвенного действия; - токовые защиты с реле прямого действия.

МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ (МТЗ) Принцип действия, селективность и классификация МТЗ МТЗ имеют токовый принцип действия, а селективность их достигается с помощью выдержек времени. Выдержкой времени называют время, искусственно вводимое в действие РЗ и вызывающее замедление в ее срабатывании. В сетях с двухсторонним питанием для обеспечения селективности действия МТЗ выполняют направленными. Размещение МТЗ в радиальной сети с односторонним питанием (а) и выдержки времени МТЗ, выбранные по ступенчатому принципу (б)

МТЗ является относительно селективной защитой. Она может использоваться в качестве основной или резервной защиты. Место установки МТЗ зависит от схемы электрической сети, а также от элемента, на котором она устанавливается. Максимальные токовые защиты можно классифицировать по следующим признакам: 1) по назначению: - МТЗ от повреждений (прежде всего от коротких замыканий); - МТЗ от ненормальных режимов (перегрузок); 2) по характеру зависимости выдержки времени от величины тока: - МТЗ с независимой выдержкой времени (характеристикой срабатывания); - МТЗ с зависимой выдержкой времени (характеристикой срабатывания). 3) по обеспечению необходимой чувствительности: - МТЗ без пуска по напряжению; - МТЗ с пуском по напряжению. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА БЕЗ ПУСКА ПО НАПРЯЖЕНИЮ Измерительные (пусковые) органы защиты выполняются с помощью максимальных реле тока. Поэтому МТЗ без пуска по напряжению может использоваться как защита от повреждений и как защита от перегрузок.

Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном токе Схема трехфазной трехрелейной МТЗ от КЗ с независимой выдержкой времени (в совмещенном изображении)

Схема трехфазной трехрелейной МТЗ от КЗ с независимой выдержкой времени (в разнесенном изображении) Цепи переменного тока Цепи постоянного оперативного тока

Применяется МТЗ с зависимой (ограниченно зависимой) характеристикой. Применяется МТЗ с зависимой (ограниченно зависимой) характеристикой. Схема МТЗ от КЗ Зависимость МТЗ с зависимой с зависимой от тока времени срабатывания выдержкой времени выдержкой времени реле от тока Ip выполняются при помощи токовых реле серии РТ-80 или РТ-90. Трехфазные трехрелейные схемы используются для действия при всех видах коротких замыканий. Двухфазные схемы с двумя, тремя или одним токовым реле – для действия только при междуфазных КЗ. Расчет параметров МТЗ Расчет параметров МТЗ включает определение: - тока срабатывания защиты (Iс.з); - тока срабатывания реле (Iс.р); - коэффициента чувствительности (kч); - времени срабатывания защиты (tс.з). Ток срабатывания защиты – это наименьший первичный ток, необходимый для срабатывания пусковых токовых реле защиты.

Ток срабатывания МТЗ определяется из двух условий: Ток срабатывания МТЗ определяется из двух условий: 1) Iс.з > Iнагр.макс - пусковые органы защиты не должны приходить в действие при максимальном токе нагрузки; 2) Iв.з > kсзп∙ Iнагр.макс - пусковые органы защиты, сработавшие при внешнем КЗ, должны вернуться в исходное состояние после его отключения. К выбору тока и Характер изменения тока при КЗ времени срабатывания МТЗ в сети и после его отключения

Ток возврата защиты (Iв.з) – это наибольший первичный ток, при котором пусковые реле защиты, сработавшие при внешнем КЗ возвращаются в исходное состояние после его отключения. Токи Iс.з и Iв.з связаны через коэффициент возврата kв = Iв.з / Iс.з. Для токовых реле kв < 1. Поэтому условие 2 является определяющим. Формула для Iс.з выводится следующим образом: - выразим Iс.з через Iв.з и kв: Iс.з = Iв.з / kв; - из условия 2 имеем Iв.з = kотс∙ kсзп∙ Iнагр.макс, где kотс= 1,1-1,2 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность токовых реле. Подставив значение Iв.з в выражение для Iс.з,получим: Iс.з= kотс ∙ kсзп∙ Iнагр.макс/ kв , где kв = (0,7-0,95) определяется по техническим данным реле; kсзп = (3-6) - для нагрузки с преобладанием электродвигателей и (1,5-2) - при малом удельном значении электродвигателей. В целях уменьшения Iс.з стремятся применять токовые реле с высоким kв. Iнагр.макс определяют по наиболее тяжелым, но реальным режимов работы оборудования.

Ток срабатывания реле – это наименьший вторичный ток, необходимый для срабатывания пусковых токовых реле защиты. Iс.р находится с учетом Кт и схемы соединения ТТ, характеризуемой kсх: Iс.р = Iс.з kсх / Кт . По Iс.р определяется ток уставки (Iуст), т.е. ток, который выставляется на пусковых токовых реле: Iуст = Iс.р - при использовании токовых реле серии РТ-40; Iуст ≥ Iс.р - при использовании токовых реле серии РТ-80 (или РСТ-40). Чувствительность МТЗ оценивается коэффициентом чувствительности. Коэффициент чувствительности определятся по минимальному значению тока КЗ при повреждении в конце зоны действия МТЗ: kч = Iкз.мин / Iс.з, где Iкз.мин - минимальный ток КЗ, рассчитанный для реального минимального режима работы электростанций и сетей, питающих точку КЗ. По ПУЭ коэффициент чувствительности для МТЗ считается допустимым, если: kч ≥ 1,5 - при КЗ в конце защищаемого элемента (точка К1); kч ≥ 1,2 - при КЗ в конце зоны резервирования (точка К2).

Выдержки времени МТЗ. Ступень времени (селективности) Выдержки времени МТЗ. Ступень времени (селективности) Для обеспечения селективности выдержки времени МТЗ с независимой характеристикой выбираются по ступенчатому принципу. Разница между временем действия МТЗ двух смежных участков называется ступенью времени или ступенью селективности. Обозначается она как Δt и равна: Δt = tсз.1 – tсз.2. Величина Δt определяется следующим образом. Чтобы защита линии W1 не сработала при КЗ на линии W2 tсз.1 > tсз.2 + tотк.Q2 + tпогр.защ2 , где tотк.Q2 - время отключения выключателя линии W2; tпогр.защ2 - погрешность в сторону увеличения реле времени МТЗ2. Приняв некоторый запас tзап и учтя погрешность реле времени МТЗ1 в сторону уменьшения tпогр.защ1, получим: tсз.1 = tсз.2 + tотк.Q2 + tпогр.защ2 + tпогр.защ1 + tзап. Отсюда минимальная ступень селективности будет равна: Δt = tсз.1 – tсз.2 = tотк.Q2 + tпогр.защ2 + tпогр.защ1 + tзап. Ступень времени у МТЗ с зависимой характеристикой, выполненных на реле серии РТ-80, должна быть увеличена на время инерционной ошибки реле tи: Δt = tотк.Q2 + tпогр.защ2 + tпогр.защ1 + tи + tзап.

Для применяемых реле и выключателей: Δt = (0,3 - 0,6) с - у МТЗ с независимой выдержкой времени; Δt = (0,6 до 1) с - у МТЗ с зависимой или ограниченно зависимой выдержкой времени. Согласование МТЗ с независимыми характеристиками Считая, что выдержка времени МТЗ2 задана, выдержку времени МТЗ1 определяют по выражению: tсз.1 = tсз.2 + Δt . Это время принимается в качестве времени уставки (tуст) защиты. Согласование МТЗ с зависимыми характеристиками Выдержки времени МТЗ с зависимой характеристикой также должны удовлетворять этому условию. Но выполняться оно должно только в пределах зоны совместного действия защит. Например, при КЗ на линии W2 tсз.1 должно быть не менее чем на Δt больше, чем tсз.2. При КЗ на линии W1 соблюдение этого соотношения не требуется. Уставка по времени (tуст) для защиты с зависимой характеристикой равна времени срабатывания реле на независимой части характеристики. Это время выставляется на реле типов РТ-80 или РТ-90.

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С ПУСКОМ (БЛОКИРОВКОЙ) ПО НАПРЯЖЕНИЮ Пуск (блокировка) по напряжению применяется для повышения чувствительности МТЗ. МТЗ с пуском по напряжению используется только как защита от КЗ. Защита имеет два измерительных (пусковых) органа: - токовый, реагирующий на увеличение тока при КЗ; - напряженческий, реагирующий на уменьшение напряжения при КЗ. Ток срабатывания защиты отстраивается от тока нагрузки нормального режима Iнагр.норм (или от номинального тока Iном) защищаемого элемента: Iс.з = kотс ∙ Iнагр.норм (Iном) / kв . Благодаря уменьшению Iс.з увеличивается коэффициент чувствительности защиты по току (kч.т). Пусковой орган напряжения (ПОН): - при КЗ, когда уменьшается напряжение, разрешает действие МТЗ (пускает защиту); - при перегрузке, когда напряжение уменьшается незначительно, запрещает (блокирует) работу защиты. Cуществует два способа выполнения пуска по напряжению: 1) пуск от трех реле минимального напряжения; 2) комбинированный способ пуска, использующий реле напряжения обратной последовательности и реле минимального напряжения.

Схема двухфазной двухрелейной МТЗ с пуском по напряжению Схема двухфазной двухрелейной МТЗ с пуском по напряжению Цепи переменного тока Цепи переменного Цепи оперативного напряжения тока

Расчет параметров ПОН включает определение: Расчет параметров ПОН включает определение: - напряжения срабатывания защиты (Uс.з); - напряжения срабатывания реле (Uс.р); - коэффициента чувствительности защиты по напряжению (kч.н). Напряжение срабатывания защиты для реле минимального напряжения – это максимальное первичное напряжение, при котором они приходят в действие (т. е. замыкают свои контакты). Характер изменения напряжения Напряжение срабатывания МТЗ при КЗ в сети и после его отключения определяется из двух условий: 1) Uс.з < Uраб.мин - реле не должны действовать при минимальном значении рабочего напряжения; 2) Uв.з < Uраб.мин - сработав при внешнем КЗ, реле должны надежно вернуться в исходное состояние (т. е. разомкнуть свои контакты) после его отключения. Напряжение возврата защиты (Uв.з) – это минимальное первичное напряжение при котором реле, сработавшие при внешнем КЗ, должны вернуться в исходное состояние (т. е. разомкнуть свои контакты).

Отношение Uв.з / Uс.з = kв – это коэффициент возврата. Отношение Uв.з / Uс.з = kв – это коэффициент возврата. Для реле минимального напряжения МТЗ kв > 1. Поэтому условие 2 является определяющим. Формула для Uс.з выводится следующим образом: - выразим Uс.з через Uв.з и kв: Uс.з =Uв.з / kв; - из условия 2 имеем Uв.з = Uраб.мин / kотс, где kотс = 1,1-1,2 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле напряжения. Подставив Uв.з в выражение для Uс.з, получим: Uс.з = Uраб.мин / (kотс · kв), где kв = (1,2-1,25) определяется по техническим данным реле. Напряжение срабатывания реле – это наибольшее вторичное напряжение, необходимое для срабатывания реле минимального напряжения. Uс.р находится с учетом Кн по следующему выражению: Uс.р = Uраб.мин / (kотс· kв · Кн). где Uраб.мин – минимальное рабочее напряжение, равное (0,85-0,9)Uраб.норм. По Uс.р определяется напряжение уставки (Uуст), т.е. напряжение, которое выставляется на пусковых реле напряжения: Uуст = Uс.р - при использовании реле напряжения серии РН-54; Uуст  Uс.р - при использовании реле серии РСН.

Чувствительность ПОН оценивается коэффициентом чувствительности kч.н = Uс.з / Uкз.макс, где Uкз.макс – максимальное значение остаточного напряжения в месте установки защиты при КЗ в конце защищаемого или резервируемого участка схемы сети. По ПУЭ коэффициент чувствительности для МТЗ считается допустимым, если: kч ≥ 1,5 - при КЗ в конце защищаемого элемента (точка К1); kч ≥ 1,2 - при КЗ в конце зоны резервирования (точка К2). Напряжение срабатывания реле KVZ в схеме комбинированного пуска отстраивается от напряжения небаланса Uнб на выходе фильтра ZV: Uс.р (2) = kотс · Uнб.макс = 0,06Uраб.норм /Кн . Напряжение срабатывания реле KV в схеме комбинированного пуска определяется также, как и в схеме с тремя реле минимального напряжения. Однако, kч.н у этого реле к трехфазным КЗ будет больше, чем у трех реле первой схемы, т.к. kч.н = Uв.з / Uкз.макс. Действие реле KV при трехфазном КЗ определяется не Uс.р, a Uв.р, которое на 20-25% больше напряжения срабатывания. Определение tсз МТЗ с пуском по напряжению и согласование по времени защит различных элементов сети производится так же как и МТЗ без пуска по напряжению.

НАПРАВЛЕННАЯ МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НАПРАВЛЕННАЯ МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА Направленной называется защита, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ. Необходимость в применении направленных защит - невозможность селективного отключения повреждения в сетях с двусторонним питанием простой МТЗ. Схема сети с двусторонним питанием и принцип согласования направленных МТЗ по времени

Принцип выполнения МТЗ в сетях с двусторонним питанием: Принцип выполнения МТЗ в сетях с двусторонним питанием: 1) защиты устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и выполняются направленными. Направление действия защит принимается от шин в линию; 2) выдержки времени защит, работающих при одном направлении мощности, должны согласовываться между собой по ступенчатому принципу. Время срабатывания защит должно увеличиваться при движении к источнику, от тока которого они работают. Принцип согласования МТЗ по времени называют встречноступенчатым. Направленные МТЗ используется только как защита от КЗ. Для выполнения МТЗ направленной ее схема дополняется реле направления мощности (РНМ). Упрощенная (однолинейная) схема направленной МТЗ

Существуют: Существуют: -электромеханические РНМ типа РБМ, выполненные на индукционном принципе; - статические РНМ, выполненные на интегральных микросхемах. Индукционное реле направления мощности типа РБМ Конструкция и принцип действия индукционных реле направления мощности Конструкция реле направления РНМ содержит: мощности типа РБМ 1 – четырехполюсный магнитопровод; 2 – токовую обмотку (две секции); 3 – обмотку напряжения четыре секции); 4 – алюминиевый ротор (барабанчик); 5 – стальной цилиндр; 6 – контактную систему. К обмоткам реле подводится: - от ТТ Iр = Ic /Kт; - от ТН Up = Uc/Kн. Ток в обмотке напряжения Iн = Up/Zн. Магнитные потоки в магнитопроводе: - Фт – от тока Iр; - Фн – от тока Iн. Вращающий момент Мвр = k ФнФт sin.

Векторная диаграмма РНМ Исходным для ее построения является Uр. Векторная диаграмма РНМ Исходным для ее построения является Uр. Ток Iн сдвинут по фазе относительно напряжения Up на угол α, а ток Iр - на угол φр. Угол α называется углом внутреннего сдвига (внутренним углом) реле. Зависит от соотношения X /R обмотки напряжения. Угол φр зависит от параметров сети и фаз подведенных к реле Uc и Iс (от схемы включения РНМ). Так как Фт ≡ Iр, Фн ≡ Iн ≡ Up, а  = α - φр получим Мвр = k1Uр Iр sin(α - φр) = k1Sp, где Sp = UрIр sin(α - φр) - мощность, подведенная к реле. Из последнего выражение для Мвр следует, что: - вращающий момент peлe пропорционален мощности на его зажимах; - знак вращающего момента реле определяется знаком sin(α - φр) и зависит от φр. Линия А-В, проходящая через углы α - φр = 0 и 180°, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента (совпадает с Iн и Фн). Линия C-D (перпендикулярная А-В) называется линией максимальных моментов. Момент Мвр достигает максимума при α - φр = 90°, т. е. когда Iр опережает Iн на 90°.

Угол φр, при котором Мвр достигает максимального положительного значения, Угол φр, при котором Мвр достигает максимального положительного значения, называется углом максимальной чувствительности (φм.ч): -φм.ч + α = 90º, а φм.ч= α -90º. Реле не действует: - если отсутствует напряжение или ток в реле; - если sin(α - φр) = 0. Последнее условие имеет место при φр = α и φр = α + 180°. В зависимости от величины внутреннего угла α различают три типа РНМ: - при α = 0º вращающий момент Мвр пропорционален реактивной мощности: φм.ч = -90º , Мвр = -k1 Uр Iр sinφр. Такое реле называют реле реактивной мощности (или реле синусного типа); - при α = 90º вращающий момент Мвр пропорционален активной мощности: φм.ч= 0º, Мвр = k1 Uр Iр cosφр. Такое реле называют реле активной мощности (или реле косинусного типа); - при 0 < α < 90º вращающий момент Мвр пропорционален полной мощности. Такое реле называют реле смешанного типа. Используются РНМ смешанного типа двух вариантов исполнения: РБМ-171 (РБМ-271) и РМ-11 в защитах от междуфазных КЗ с φмч = -45° и φм.ч = -30°; РБМ-178 (РБМ-278), РБМ-177 (РБМ-277) и РМ-12 в защитах от замыканий на землю с φмч = + 70°.

Основные характеристики реле направления мощности Основные характеристики реле направления мощности Минимальная мощность на зажимах РНМ, при которой оно срабатывает, называется мощностью срабатывания реле Scp. Характеристика чувствительности – это зависимость Uср = f(Iр) при неизменном φр = φм.ч, где Uср - наименьшее напряжение срабатывания реле при данных значениях Iр и φр. Теоретически – это гипербола (кривая 1), практически при больших токах она переходит на независимую часть (кривая 2). Угловая характеристика – это зависимость Uср(Scp) = f(φр) при неизменном значении Iр = Iном (на рисунке показана для реле с углом α = +45°). Угловая характеристика позволяет определить: - пределы углов φр, соответствующие рабочей и нерабочей зонам реле; - минимальное значение Ucp.мин и наиболее выгодную зону углов φр, в пределах которой Uср близко к Ucр.мин. Время срабатывания РНМ зависит от кратности Sp к Scp. Оно имеет минимальное значение при кратности 3-4. Полярность обмоток Явление самохода

Схемы включения реле направления мощности Схемы включения реле направления мощности Схема включения РНМ определяется сочетанием токов и напряжений, питающих их обмотки. Требования к схемам: - сочетание фаз тока и напряжения должно быть таким, чтобы реле правильно определяло знак мощности КЗ при всех возможных случаях и видах повреждений; - чтобы к реле при этом подводилась мощность, достаточная для его срабатывания. Токи и напряжения, подводимые к РНМ: для 90º схемы для 30º схемы Реле....................... I II III………………. I II III Iр............................. IA IB IC ……………….. IA IB IC Up............................UBC UCA UAB.........................UAC UBA UCB Наибольшее применение получила 90-градусная схема включения РНМ. Анализ схем включения показывает, что 90 схема наиболее выгодна для реле направления мощности с внутренним углом α от 30º до 60º. Оптимальные условия имеют место при угле α = 45º. 30º схема включения может использоваться для реле направления мощности косинусного типа.

Схемы направленных МТЗ отличаются: Схемы направленных МТЗ отличаются: - видом оперативного тока (постоянный или переменный); - способом выполнения пусковых органов (без пуска по напряжению или с пуском по напряжению); - числом ТТ и пусковых реле; - схемой включения РНМ. Схема двухфазной направленной МТЗ на постоянном оперативном токе Цепи переменного Цепи переменного Цепи оперативного тока напряжения тока

Расчет параметров направленных МТЗ Расчет параметров направленных МТЗ Ток срабатывания защиты в сети с изолированной нейтралью отстраивается от Iнагр.макс с учетом kсзп электродвигателей в послеаварийном режиме: Iс.з = kотс ∙ kсзп∙ Iнагр.макс/ kв. В кольцевых и радиальных сетях с двусторонним питанием Iнагр.макс на ЛЭП возникают при размыкании сети. В сети с глухозаземленной нейтралью Iс.з должен быть отстроен от токов, протекающих в неповрежденных фазах (Iн.ф) при КЗ на землю: Iс.з = kотс Iн.ф, где kотс – коэффициент отстройки, в зависимости от точности оценки значения Iн.ф принимается равным 1,2-1,5; Iн.ф = Iнагр.макс + kI0 - полный ток в неповрежденной фазе, а ток kI0 – доля тока однофазного КЗ, протекающего в неповрежденных фазах (определяется специальным расчетом). Чувствительность защиты при КЗ проверяется так же, как и чувствительность ненаправленной МТЗ. Выдержки времени защит выбираются из условия селективности по встречно-ступенчатому принципу. Направленные МТЗ используются преимущественно в сетях с двухсторонним питанием напряжением ≤ 35 кВ.

Мертвая зона направленной МТЗ Мертвая зона направленной МТЗ Направленная МТЗ может отказать в действии при КЗ вблизи места установки РЗ. Участок ЛЭП, при КЗ в пределах которого РНМ не работает, т.к. Sp < Scp, называется мертвой зоной защиты. Для индукционного РНМ Sр = Up Ip sin(α - φp). Отсюда необходимое Uс.р при КЗ на границе мертвой зоны в т. М где Ip = IкзN /Кт - определяется расчетом при трехфазном КЗ в начале ЛЭП (точка N), Кт - коэффициент трансформации ТТ; α - угол внутреннего сдвига принимается из каталога; φp = φк - 90° для 90-градусной схемы, а φк – угол короткого замыкания; Sс.р – определяется по заводским данным или лабораторным испытаниям для вычисленного значения φp. Так как РНМ включается на междуфазное напряжение, то U1ф с.р = Uс.р· Кн / , где U1ф с.р - первичное фазное напряжение, необходимое для срабатывания РНМ; Кн - коэффициент трансформации ТН. Длина мертвой зоны, км, определяется по выражению m = U1ф с.р / (Iкз N · Zy), где Zy- удельное сопротивление 1км ЛЭП.