Максимальная токовая защита (МТЗ)

Токовая отсечка с выдержкой времени (ТОВВ)

Токовая отсечка с выдержкой времени дополняет мгновенную токовую отсечку и обеспечивает защиту от КЗ в конце линии, где МТО имеет мертвую зону. Для обеспечения селективности действия токовой отсечки с выдержкой времени делают следующее:

а) защита действует на отключение с выдержкой времени (эта выдержка времени для всех ТОВВ в сети обычно равна ступени селективности – наименьшей выдержке времени, надежно обеспечивающей селективное действие защиты, обычно равной 0,3…0,6 с; более подробно о ступени селективности сказано в следующем разделе);

б) выбирают соответствующим образом ток срабатывания.

Рассмотрим подробно второй пункт. Для определения тока срабатывания ТОВВ 1, установленной на ЛЭП1, необходимо знать, какие защиты установлены на элементах силовой схемы, питающихся от шин подстанции В, т.е. ЛЭП 2 и Тр1. Предположим, нам известно, что комплект защиты, установленный на ЛЭП2 также имеет в своем составе МТО2 и ТОВВ 2 (причем, выдержки времени ТОВВ 1 и ТОВВ 2 одинаковы), а для защиты трансформатора Тр1 используется продольная дифференциальная токовая защита, отключающая Тр1 без выдержки времени при КЗ в трансформаторе и на его выводах.

В этом случае очевидно, что ток срабатывания ТОВВ I – I ^II_СЗ1 можно принять меньше, чем I _КЗ в точке К6 (в самом начале ЛЭП2), и меньше, чем ток при КЗ на выводах трансформатора Тр1, присоединенных к сборным шинам подстанции В. Действительно, даже если ТОВВ1 будет чувствовать эти КЗ, то к неселективному отключению ЛЭП 1 это привести не сможет, так как при указанных КЗ подействуют свои мгновенные защиты и отключат соответственно Q2 и Q3. ТОВВ 1 подействовать не успеет из-за имеющейся у нее выдержки времени.

Рис. 1.3. Диаграмма настройки токовой отсечки с выдержкой времени

Снижать ток срабатывания I ^II_СЗ1 полезно, так как это повышает чувствительность ТОВВ. Вопрос в том, до какого уровня можно снизить этот ток, не опасаясь неселективного действия защиты. Рассмотрим, как будут вести себя комплекты защит, установленные на ЛЭП1 и ЛЭП2 при перемещении точки КЗ по линии ЛЭП2. На рис. 1.3 показано, как меняется при этом ток КЗ, протекающий по линиям. Здесь же произведен выбор тока срабатывания мгновенных отсечек МТО 1 и МТО 2 в соответствии с тем, как это было описано в предыдущем разделе. Из рис. 1.3 видно, что ТОВВ 1 будет действовать неселективно, если ее ток срабатывания станет ниже, чем ток срабатывания МТО 2. В этом случае ТОВВ 1 будет чувствовать КЗ в «мертвой зоне» МТО 2. Если же ТОВВ 1 будет чувствовать эти КЗ, а МТО 2 – нет (так как они находятся в «мертвой зоне» для МТО 2), то при таких КЗ на отключение одновременно подействуют ТОВВ 1 (эта защита отключит Q 1) и ТОВВ 2 (она отключит Q 2). Ясно, что Q 1 отключит ЛЭП1 неселективно. Такое неселективное действие защиты будет исключено, если выбрать ее ток срабатывания следующим образом:

(1.2)

где К _н = 1,1 (значение коэффициента надежности для этого случая, как показывает опыт эксплуатации, можно взять меньше, чем для предыдущего).

Если выбрать ток срабатывания ТОВВ 1 в соответствии с формулой (1.2), то зона действия этой защиты всегда будет кончаться раньше, чем зона действия МТО 2 (рис. 1.3), и селективное действие защит при любых КЗ на ЛЭП 2 будет обеспечено.

Рассмотрим, как будут взаимодействовать защиты при КЗ на трансформаторе Тр1. Ясно, что при наличии мгновенно действующей защиты на Тр1 неселективного действия ТОВВ 1 при КЗ на Тр1 не будет. Хуже дело обстоит, например, при КЗ в точке К5 на одном из присоединений, питающихся от трансформатора Тр1. Эти присоединения, как правило, имеют защиты, действующие с выдержкой времени, и, если ТОВВ 1 будет чувствовать КЗ в точке К5, может произойти неселективное отключение ЛЭП1 в этом режиме. Для того чтобы исключить действие ТОВВ 1 при КЗ в точке К5, ее ток срабатывания должен удовлетворять следующему условию:

(1.3)

где К _н = 1,2; I _КЗmax5 – максимальный ток КЗ, протекающий по ЛЭП1, при КЗ за трансформатором.

Окончательно в качестве тока срабатывания ТОВВ1 принимают больший из токов, рассчитанных по условиям (1.2) и (1.3). Поскольку от шин подстанции С не питается никаких присоединений кроме трансформатора Тр2, то ток срабатывания ТОВВ2 следует выбирать только по условию (1.3), но при КЗ за Тр2.

Так как токовая отсечка с выдержкой времени предназначена для действия, в основном, при КЗ в пределах «мертвой зоны» мгновенной токовой отсечки, то ее чувствительность проверяется при КЗ в конце этой «мертвой зоны», т.е. практически при КЗ на шинах подстанции, питающейся от защищаемой линии.

Коэффициент чувствительности ТОВВ, который должен быть не ниже 1,3, подсчитывается следующим образом:

(1.4)

Здесь I _КЗmin – минимальный ток, протекающий по защите при КЗ на шинах подстанции, питающейся от защищаемой линии.

Если К _Ч окажется меньше 1,3, то можно увеличить выдержку времени рассматриваемой ТОВВ1 до двух ступеней селективности и отстроиться таким образом от ТОВВ следующего участка (в нашем случае от ТОВВ 2). Тогда можно отказаться от выбора тока срабатывания ТОВВ по условию (1.2). Но этот прием эффективен лишь в случае, если расчетным при выборе тока срабатывания оказалось условие (1.2).

Аналогично поступают с выдержкой времени ТОВВ, если на следующем участке (ЛЭП 2, например) по какой-либо причине отсутствует МТО, и обеспечить селективность ТОВВ 1 при прежней выдержке времени не представляется возможным.

Третьей ступенью трехступенчатой токовой защиты является максимальная токовая защита, предназначенная для ближнего и дальнего резервирования. Под ближним резервированием понимают действие этой защиты на отключение при отказе первой и второй ступеней своего комплекта защиты, если КЗ произошло на защищаемой линии. Если КЗ произошло в точке К1, а МТО и ТОВВ1 не сработали (например, из-за повреждений в их цепях), то МТЗ1, срабатывая, отключит Q 1 и резервирует тем самым отказавшие защиты. При КЗ в точке К4 МТО1 не срабатывает по своему принципу действия и на отключение ЛЭП1 должна действовать ТОВВ1. При ее отказе действует МТЗ1, это тоже случай ближнего резервирования.

К дальнему резервированию относится, например, действие МТЗ1 на отключение Q 1 при КЗ в точке К6 в том случае, если отказал весь второй комплект защиты или по какой-то причине не отключился выключатель Q 2. Такие отказы случаются иногда на практике, например, из-за повреждения механической части выключателя, ошибок персонала (например, был снят предохранитель в цепи соленоида отключения Q 2 во время работ на выключателе, а потом его забыли поставить на место) и т.д. Ближнее и дальнее резервирование защит повышает надежность как самой релейной защиты, так и электрической системы в целом. Для того чтобы обеспечить дальнее резервирование, МТЗ должна иметь достаточно высокую чувствительность при КЗ не только на защищаемом, но и на последующем элементе, т.е. МТЗ 1 должна иметь высокую чувствительность при КЗ не только на ЛЭП1, но и на ЛЭП2 и Тр1, а МТЗ2 - при КЗ на ЛЭП2 и Тр2. По этой причине ее ток срабатывания отстраивается не от токов в режимах КЗ, как это делалось для отсечек, а от токов нормальных режимов, которые по величине гораздо меньше токов КЗ. Это позволяет сделать МТЗ гораздо чувствительнее отсечек. Селективность же максимальной токовой защиты обеспечивается соответствующим выбором ее выдержки времени.

Выдержка времени максимальных токовых защит нарастает по мере приближения к источнику питания. Предположим, нам известно, что выдержки времени МТЗ, установленных на потребителях нагрузки 2 (рис. 1.1), равны соответственно 0,5 с, 1 с и 1 с; на потребителях, питающихся непосредственно от шин подстанции
С – 2 с, на потребителях нагрузки 1– 0,5 с, 1,5 с, 2 с. Выберем выдержки времени МТЗ комплектов 1, 2, 3, 4.

Для этого необходимо предварительно рассмотреть понятие ступени селективности. Применительно к МТЗ ступень селективности – это минимальная разность в выдержках времени защит смежных участков, при которой обеспечивается селективность действия этих защит.

Рассмотрим взаимодействие, например, комплектов 1-й и 2-й защит. Для того чтобы защита 1 в любом случае срабатывала не раньше, чем защита 2, ее выдержка времени должна быть больше выдержки времени защиты 2, по крайней мере, на ступень селективности, равную

(1.5)

где t_{n (2)} – погрешность в сторону замедления реле времени защиты 2; t_{n (1)} – погрешность в сторону уменьшения выдержки времени защиты 1; t _QЗ – время отключения выключателя Q 3 с момента подачи импульса в катушку отключения до разрыва тока КЗ контактами выключателя; t _зап – время запаса.

Для применяемых в эксплуатации реле и выключателей Δ t =
= (0,3…0,6) с.

С учетом указанного, выберем выдержку времени МТЗ, установленной в цепи Тр2 на ступень селективности (примем Δ t =
= 0,5 с) больше самой большой из выдержек времени защит, установленных на потребителях нагрузки 2: t _тр2 = 1 + 0,5 = 1,5 с. Выдержка времени МТЗ комплекта 2 отстраивается, таким образом, от вычисленной выше t _тр2 и от выдержки времени защиты, установленной на потребителе, питающемся от шин подстанции С, которая равна 2 с. Следовательно, t₂ = 2 + 0,5 = 2,5 с. Полагая, что на трансформаторе Тр1 также установлена МТЗ, выберем ее выдержку времени из условия отстройки от защит, установленных на потребителях нагрузки 1: t ₄ = 2 + 0,5 = 2,5 с. Тогда t ₁ =
= 2,5 + 0,5 = 3,0 с.

Теперь КЗ на каждом последующем элементе (например, ЛЭП 2) будет отключаться защитой предыдущего элемента (например,
МТЗ 1) только в том случае, если защита последующего элемента отказала в действии или отказал выключатель. Если же, например, МТЗ 2 исправна, то она успевает отключить Q 2 и разорвать цепь тока КЗ еще до того, как МТЗ 1 могла бы подействовать на отключение Q 1. После отключения Q 2 ток в сети уменьшается и защита МТЗ 2 уже не сработает.

Ток срабатывания максимальной токовой защиты определяется следующим образом (на примере МТЗ 1):

(1.6)

(1.7)

, (1.8)

где К _н – коэффициент надежности; К _в – коэффициент возврата токовых реле; К _нс – коэффициент надежности согласования;
К _н = 1,1 и К _в = 0,96 – для цифровых реле; К _н = 1,15 и К_в = 0,9 – для статических реле типа РСТ; К _н = 1,2 и К _в = 0,8 – для электромеханических реле типа РТ-80 или РТ-40; К _нс = 1,1 – для всех типов реле; – сумма максимальных значений рабочих токов всех смежных элементов (N) за исключением того, с защитой которого производится согласование; I _сам – ток, протекающий по защищаемой ЛЭП при самозапуске электродвигателей, после отключения КЗ на последующих участках сети;
I _раб.max – максимальный рабочий ток защищаемой ЛЭП (без учета самозапуска двигателя); – коэффициент самозапуска; I _{сам апв} – ток, протекающий по защищаемой ЛЭП в процессе самозапуска электродвигателей при автоматическом повторном включении защищаемой ЛЭП; (если I _сам АПВ неизвестен, то К_сз.АПВ принимается равным 4–5); I ^III_сз1, I ^III_сз2 – ток срабатывания МТЗ 1 и МТЗ последующих защит (МТЗ 2, например) соответственно.

Рассмотрим подробнее расчетные выражения (1.6), (1.7), (1.8). Каждое из этих выражений соответствует своему расчетному режиму, в котором необходимо обеспечить правильное действие защиты.

Предположим, что в начале ЛЭП 2 произошло КЗ. При этом срабатывают токовые реле как МТЗ 2, так и МТЗ 1, и эти защиты начинают отсчитывать свои выдержки времени. При возникновении КЗ напряжение на шинах подстанции В резко снизилось и электродвигатели, питающиеся от этой подстанции (например, через Тр1), стали тормозиться. После того, как истекла выдержка времени второго комплекта защиты, он отключил Q 2, напряжение на шинах В восстановилось, и затормозившиеся электродвигатели стали потреблять повышенный ток, увеличивая свою скорость до номинальной. При этом токовые реле МТЗ 1 должны вернуться в исходное состояние, иначе по истечении своей выдержки времени МТЗ 1 неселективно отключит Q 1. Для того чтобы токовые реле МТЗ 1 надежно возвращались в рассматриваемом режиме, необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

(1.9)

где I ^III_воз1 – ток возврата МТЗ 1 в исходное состояние.

Учитывая, что

(10)

подставим (1.10) в (1.9) и, поделив обе части получившегося уравнения на К _в, получаем (1.6).

Рассмотрим режим, соответствующий выражению (1.7). В этом случае предполагается, что КЗ произошло на ЛЭП 1, и эта линия была отключена своей защитой. Опыт эксплуатации показал, что в большом числе случаев возникшие на ЛЭП повреждения самоустраняются во время бестоковой паузы, т.е. пока ЛЭП отключена. Через некоторое время (обычно составляющее доли секунды) такую ЛЭП можно снова включить под напряжение с помощью автоматики повторного включения (АПВ) и она будет обеспечивать нормальное снабжение потребителей электрической энергии.

За время действия релейной защиты и автоматики электродвигатели успевают затормозиться в большей степени, чем это было в описанном выше режиме, и после повторного включения ЛЭП потребляет больший ток самозапуска I _{сам.АПВ} > I _сам. Поскольку при отключении ЛЭП 1 ее защита автоматически возвращалась в исходное состояние (так как ток в цепи становился равным нулю), возврата токовых реле в рассматриваемом случае не требуется, требуется только, чтобы МТЗ 1 не срабатывала при протекании по ЛЭП 1 тока I _{сам.АПВ}, что и обеспечивается условием (1.7).

Условие (1.8) согласовывает защиты смежных участков по чувствительности. Если при каком-либо удаленном КЗ в сети МТЗ 2 не чувствует этого КЗ, то его не должна чувствовать и МТЗ 1, т.е. ток срабатывания МТЗ 1 должен быть больше, чем ток срабатывания МТЗ 2, иначе МТЗ 1 подействует неселективно.

Из трех рассчитанных по формулам (1.6), (1.7), (1.8) токов в дальнейших расчетах принимают больший, так как он обеспечивает селективность защиты во всех описанных режимах.

Для проверки чувствительности защиты определяется коэффициент чувствительности

(1.11)

где I _КЗmin – минимальный ток КЗ, протекающий в месте установки защиты при КЗ в расчетной точке.

Ранее уже отмечалось, что МТЗ выполняет резервные функции:

а) по отношению к предыдущим ступням защиты своего комплекта при КЗ на защищаемой линии;

б) по отношению к защитам и выключателям следующих участков сети – при КЗ на соответствующих элементах сети.

В соответствии с этим коэффициент чувствительности подсчитывается для обеих указанных выше групп режимов:

а) при КЗ в конце защищаемой ЛЭП (например, в точке К 4 для МТЗ 1) в минимальном режиме, при этом К _ч должен быть не менее 1,5;

б) при КЗ в конце смежных элементов сети (в конце ЛЭП 2 – точка К9 и за трансформатором Тр1 – точка К5), при этом К _ч должен быть не менее 1,2.

Если коэффициент чувствительности хотя бы в одном из расчетных режимов оказался меньше допустимого, то следует применить защиты, технически более совершенные, чем МТЗ, например, дистанционную защиту.

Для нормального функционирования защиты необходимо правильно выставить уставки на реле. Уставками в рассматриваемой защите является время срабатывания соответствующих ступеней (эти уставки рассчитываются в соответствии с ранее описанными и выставляются на реле времени) и ток срабатывания реле каждой ступени (выставляется на соответствующих реле тока).

Ток срабатывания реле I _ср определяется следующим образом:

(1.12)

где К _сх – коэффициент схемы, равный отношению тока в реле к току во вторичной обмотке соответствующего трансформатора тока (для схемы соединения трансформаторов тока в полную или неполную звезду К _сх = 1); К_I – коэффициент трансформации трансформаторов тока защиты.

Дата добавления: 2014-11-25