Текст
                    

Н.В.ЧЕРНОБРОВОВ В.А.СЕМЕНОВ РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Допущено Министерством топлива и энергетики Российской Федерации в качестве учебного пособия для энергетических специальностей средних профессиональных учебных заведений 1g МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1998
УДК 621.316.925 ББК 31.27-05 4-49 Рецензенты'. Т. М. Пояркова, доктор техн, наук Я. С. Гельфанд Книга вышла при финансовой поддержке АО Мосэнерго Чернобровое Н. В., Семенов В. А. 4-49 Релейная защита энергетических систем: Учеб, по- собие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с.: ил. ISBN 5-283-010031-7 Даны основы техники релейной защиты (РЗ). Рассмотрены конст- руктивные особенности реле и устройств защиты, находящихся в эксплуатации, а также выпускаемых отечественной промышлен- ностью на интегральных микросхемах. Даны пояснения к выполне- нию РЗ линий, генераторов, трансформаторов, автотрансформаторов, сборных шин и электродвигателей. Для студентов средних и специальных учебных заведений электро- энергетических специальностей, может быть полезна студентам ву- зов, а также может использоваться инженерами и техниками, зани- мающимися эксплуатацией, монтажом и проектированием РЗ элект- роэнергетических систем. ISBN 5-283-010031-7 © Авторы, 1998
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящая книга предназначена служить учебным посо- бием по специальному курсу релейной защиты электроэнер- гетических систем для студентов средних специальных учеб- ных заведений энергетического профиля. Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической части энергосистем и является важнейшей системой, обеспечива- ющей их надежную работу. В современных условиях значение релейной защиты особен- но возрастает в связи с продолжающимся ростом мощностей электростанций, ростом напряжений электрических сетей, объединением энергетических систем в единую (ЕЭС). Происхо- дит перевод релейной защиты на новую микроэлектронную тех- нологию. Авторы книги ставили перед собой задачу дать теоретиче- ские основы техники современной релейной защиты. В процес- се изложения рассматриваются требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты (УРЗ), принципы построения схем релейной защиты, особенности их работы и выбор пара- метров. В книге дан раздел, посвященный элементам УРЗ на инте- гральных микросхемах (ИМС), на базе которых отечественная промышленность выпускает современную релейную аппарату- ру. Однако учитывая, что на территории Российской Федера- ции и в странах СНГ в значительной степени (порядка 90%) еще используются УРЗ на электромеханической базе, посте- пенно заменяемой современной аппаратурой, этим устройствам авторы считали необходимым уделить соответствующее вни- мание. Поскольку принципиальные схемы устройств релейной за- щиты на ИМС сложны, изучение этих устройств ведется с ис- пользованием функциональных и структурных схем. 3
В книге нашли отражение современные релейные защиты, которые созданы и успешно эксплуатируются на линиях элект- ропередачи 110, 220 кВ и сверхвысокого напряжения (СВН), крупных генераторах, трансформаторах и энергоблоках, а также защиты со сложными характеристиками, позволяющие опти- мально решать очень сложную задачу - надежную отстройку защиты от нагрузки и качаний при сохранении достаточной чувствительности при коротких замыканиях. Совершенствуются способы резервирования отказов защит и выключателей. Наряду с дальним резервированием и специ- альными устройствами при отказе выключателей (УРОВ) для шин подстанций СВН, генераторов и трансформаторов большой мощности применяется дублирование, а для линий электропе- редачи СВН даже троирование основных быстродействующих защит. Благодаря этому обеспечивается высокая надежность защиты наиболее ответственных энергообъектов даже при вы- воде одной из основных защите проверку. В основных и распределительных электрических сетях на- чалось внедрение в эксплуатацию микропроцессорных защит. На базе микропроцессорных комплексов разрабатываются ин- тегрированные системы управления подстанциями, в которых все функции (релейной защиты, автоматики и оперативного управления) реализуются с помощью типовых наборов микро- процессорной техники. Средства вычислительной техники, включая персональные ЭВМ, эффективно используются для расчета уставок, что су- щественно повышает производительность труда специалистов по релейной защите. Авторы считают, что дальнейшее совершенствование релей- ной защиты пойдет по пути более широкого использования микропроцессорной и цифровой техники, преимуществом ко- торой являются возможности фиксации параметров, опреде- ляющих поведение релейной защиты доаварийного и аварий- ного режимов, а также возможности передачи их на расстояние. Авторы приносят глубокую признательность рецензентам Я. С. Гельфанду и Т. М. Поярковой за ценные замечания, а так- же за большую помощь в работе по подготовке к изданию окончательной редакции книги. Все замечания и предложения по книге авторы просят на- правлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., д. 10, Энер- гоатомиздат. Авторы 4
Глава первая ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ 1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В электрической части энергосистем могут возникать по- вреждения и ненормальные режимы работы электрооборудо- вания электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электро- передачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электро- энергии. Повреждения вызывают появление значительных аварий- ных токов и сопровождаются глубоким понижением напряже- ния на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое ко- личество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в месте повреждения (точка К) и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток про- ходит (рис. 1.1). Понижение напряжения нарушает нормальную работу по- требителей электроэнергии и устойчивость параллельной рабо- ты ЭС энергосистемы (ЭЭС). Ненормальные режимы обычно приводят к отклоне- нию напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность наруше- ния нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением обору- дования и ЛЭП. Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обес- печения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необ- ходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреж- дения от неповрежденной части ЭЭС. Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устра- нению (например, снизить ток или напряжение при их увели- чении), а при необходимости отключить оборудование, ока- завшееся в недопустимом для него режиме. 5

Глава первая ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ 1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ В электрической части энергосистем могут возникать по- вреждения и ненормальные режимы работы электрооборудо- вания электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электро- передачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электро- энергии. Повреждения вызывают появление значительных аварий- ных токов и сопровождаются глубоким понижением напряже- ния на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое ко- личество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в месте повреждения (точка К) и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток про- ходит (рис. 1.1). Понижение напряжения нарушает нормальную работу по- требителей электроэнергии и устойчивость параллельной рабо- ты ЭС энергосистемы (ЭЭС). Ненормальные режимы обычно приводят к отклоне- нию напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность наруше- ния нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением обору- дования и ЛЭП. Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обес- печения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необ- ходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреж- дения от неповрежденной части ЭЭС. Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устра- нению (например, снизить ток или напряжение при их увели- чении), а при необходимости отключить оборудование, ока- завшееся в недопустимом для него режиме. 5
Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро - в большинстве случаев в течение сотых и деся- тых долей секунды, что может быть обеспечено только сред- ствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость в создании и применении автоматических устройств, защища- ющих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий поврежде- ний и ненормальных режимов. Первоначально в качестве по- добной автоматики (защиты) применялись плавкие предохра- нители. Впоследствии были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной за- щиты. Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникнове- ние повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок (на- пример, на рис. 1.1 трансформатор ТС) и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели Q, пред- назначенные для размыкания токов повреждения. При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреж- дения, либо производить автоматические операции, необходи- мые для восстановления нормального режима, либо осуще- ствлять сигнализацию оперативному персоналу, который дол- жен принимать меры к ликвидации ненормальности. 6
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энер- госистем. Она тесно связана с другими видами электрической автоматики, предназначенной для предотвращения развития аварийных нарушений и быстрого восстановления нормально- го режима работы ЭЭС и электроснабжения потребителей: автоматического повторного включения (АПВ), автоматиче- ского включения резервных источников питания (АВР), авто- матической частотной разгрузки (АЧР) и др. 1.2. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ Большинство повреждений в ЭЭС приводит к коротким за- мыканиям (КЗ) фаз между собой или на землю (рис. 1.2). В об- мотках электрических машин и трансформаторов могут также возникать КЗ между витками одной фазы. Основными при- чинами повреждений являются: нарушения изоляции токове- дущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями, механическими повреждениями; повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, ’’пляской проводов” и другими причинами; ошибки персонала при операциях (отключение разъединителей под нагрузкой или включение их на ошибоч- но оставленное заземление и др.) [17]. Рис. 1.2. Виды повреждений в электрических установках: а, б, в, г — трехфазное, двухфазное, однофазное и двухфазное КЗ на землю; д, е — замыкания одной и двух фаз на землю в сети с изолированной нейтралью 7
Рис. 1.3. Влияние понижения напряжения при КЗ: а — на работу потребителей; б — на устойчивость параллельной работы энер- госистемы; в — осциллограмма тока и напряжения при асинхронном режиме При КЗ в контуре накоротко замкнутой ЭДС Е источника пи- тания (генератора) возникает большой ток 1К. Короткие замыка- ния подразделяются на трехфазные /б3), двухфазные /б2), одно- фазные на землю и двухфазные на землю /б1,11 (рис. 1.2). Во время КЗ вследствие увеличения тока возрастает паде- ние напряжения в элементах энергосистемы, что приводит к понижению напряжения во всех точках сети. При металличе- ском КЗ напряжение в точке К равно нулю (рис. 1.3, а). Снижен- ное значение напряжения в любой точке сети можно опреде- лять по выражению: UM - Ас^мк- 8
Происходящие при КЗ увеличение тока и снижение напря- жения приводят к ряду тяжелых последствий: а) ток КЗ 1К выделяет в активном сопротивлении цепи R, по которой он проходит в течение времени t, теплоту, опреде- ляемую по закону Джоуля-Ленца: Q = кГ^ Rt. В месте поврежде- ния теплота, выделяемая током, и пламя электрической дуги производят большие разрушения, размерь] которых тем боль- ше, чем больше ток 1К и время t. Проходя по неповрежденному оборудованию, ток КЗ нагревает его выше допустимого преде- ла, что может вызвать повреждение изоляции и токоведущих частей; б) при протекании больших токов КЗ усиливаются электро- динамические взаимодействия между проводниками, сопро- вождающиеся значительными механическими напряжениями; в) понижение напряжения при КЗ нарушает работу потреби- телей: синхронных и асинхронных электродвигателей, освети- тельных установок и других электроприемников (рис. 1.3, б); г) снижение напряжения может сопровождаться нару- шением устойчивости параллельной работы ге- нераторов , что приводит к распаду энергосистемы и прекра- щению электроснабжения части или всех потребителей. Особым видом повреждения являются замыкания на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью или заземлен- ной через большое сопротивление дугогасящего реактора (ДТР) или большое активное сопротивление. На рис. 1.2, д видно, что замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью не вызывает КЗ, так как ЭДС Ед поврежденной фазы не шунти- руется появившимся соединением с землей. Возникающий при этом в месте повреждения ток 13 замыкается через емкость С проводов неповрежденных фаз (В и С) сети относительно зем- ли и имеет поэтому, как правило, небольшое значение. Между- фазные напряжения при этом виде повреждения остаются не- изменными (см. гл. 9). Благодаря этому однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью не отражается на работе потребителей и не нарушает синхронной работы генера- торов. Однако этот вид повреждения вызывает перенапряже- ния в сети, что представляет опасность с точки зрения возмож- ности нарушения изоляции относительно земли двух неповреж- денных фаз (В и С) и перехода однофазного замыкания на зем- лю в междуфазное КЗ или двойное замыкание на землю.
1.3. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КЗ Назначение и условия построения векторных диаграмм. Для уяснений условий работы реле удобно использовать векторные диаграммы подведенных к ним напряжений и токов. За основу построения векторных диаграмм приняты следующие исходные положения: для упрощения рассматривается начальный мо- мент КЗ на ЛЭП с односторонним питанием при отсутствии нагрузки (рис. 1.3, а); для получения действительных углов сдвига фаз между токами и напряжениями учитывается паде- ние напряжения не только в индуктивном, но и в активном со- противлении R цепи КЗ; электрическая система, питающая ме- сто КЗ, заменяется одним эквивалентным генератором с фаз- ными ЭДС ЕА, Ед, Ес, представляющими симметричную и урав- новешенную1 систему векторов, относительно которых строят- ся векторы токов и напряжений [11, 18]. Для упрощения построения диаграмм обычно рассматрива- ются металлические КЗ, при которых переходное сопротивле- ние в месте замыкания Rn = 0. За положительное направление токов принимается их направление от источника питания к ме- сту повреждения, соответственно положительными считаются ЭДС и падения напряжения, направления которых совпадают с направлением положительного тока. Векторная диаграмма при трехфазном КЗ. На рис. 1.4, а пока- зана ЛЭП, на которой возникло металлическое замыкание трех фаз в точке К. Построение векторной диаграммы (рис. 1.4, б) начинается с фазных ЭДС ЕА, Е^, Ес- Под действи- ем фазных ЭДС в каждой фазе возникает ток КЗ: НЗ) = --------- = --------, (1 ^с + ^л.к +^л.к +J(^c + Хл.к) где Еф - фазная ЭДС системы; Zc, Rc, Хс; ZnK, Rn,K, Хл.к - со- противления системы и поврежденного участка ЛЭП (рис. 1.4, а). Токи 1Ак = /дк = 1ск = /к имеют сдвиг по фазе относительно соответствующих ЭДС: (fc = arctg *с + -^л.к »С + Ял.к 1 Уравновешенной называется система векторов, геометрическая сумма ко- торых равна нулю. 10
Рис. 1.4. Трехфазное КЗ: а - схема; б — векторная диаграмма токов и напряжений Напряжения в точке К равны нулю: (7Ак = UpK = и^к = 0. Фазные напряжения в месте установки РЗ, в точке Р (рис. 1.4, а), Цдр - 1дкРП'К + Иак^л.к определяются на диаграмме (рис. 1.4, б) как сумма падений напряжения в активном сопротивлении /ак^л> совпадающего по фазе с вектором /дк, и в реактивном сопротивлении 1дкХл, сдвинутого на 90° относительно 7дк. Аналогично строятся векторы Upp и Ucp- Модули (абсолютные значения) (JAp, С/вр, У СР имеют одинаковые значения, каж- дый из этих векторов опережает ток одноименной фазы на угол фк = arctg(Xjj К/Вл к). Для ЛЭП 35 кВ этот угол равен 45 - 55°, ПО кВ - 60-78°, 220 кВ (один провод в фазе) - 73-82°, 330 кВ (два провода в фазе) - 80-85°, 500 кВ (три провода в фазе) - 84-87°, 750 кВ (четыре провода в фазе) - 86-88°. Большее значе- ние (рк соответствует большему сечению провода, так как чем больше сечение, тем меньше R. Из рассмотренных диаграмм трехфазных КЗ следует: 1) век- торные диаграммы токов и напряжений являются симметрич- ными и уравновешенными, так как в них отсутствуют состав- ляющие обратной и нулевой последовательностей; 2) трехфаз- ное КЗ сопровождается резким снижением всех междуфазных напряжений (как в месте КЗ, так и вблизи от него). В резуль- тате этого Х(3) является самым опасным повреждением для устойчивости параллельной работы энергосистемы и потреби- телей электроэнергии. Двухфазное короткое замыкание. На рис. 1.5, а показано ме- таллическое КЗ между фазами В и С ЛЭП. Под действием меж- дуфазной ЭДС Ере (рис. 1.5, а) возникают токи КЗ 1рк и 1^. 11
Их значения определяются по формуле = Евс^^ф-» где 22ф ~ полное сопротивление прямой последовательности двух фаз (22ф = ZB + Zc). Токи в поврежденных фазах равны по значе- нию, но противоположны по фазе, а ток в неповрежденной фазе равен нулю (при неучете нагрузки): 1вк = 'с*; 1а = о- п-2) Ток нулевой последовательности (НП) при К(2) отсутству- ет, так как сумма токов трех фаз + 1в +1с ~ О- Векторная диаграмма в точке К. На рис. 1.5, б по- строены векторы фазных ЭДС и ЭДС между поврежденными фазами Еве- Вектор тока КЗ JkB отстает от создающей его ЭДС *С + ^Л.к Евс на угол Фс = arctg —— ---. кс + ял.к Напряжение неповрежденной фазы А одинаково в любой точке сети и равно фазной ЭДС: t/д = £д- Поскольку между- фазное напряжение при металлическом КЗ в точке КЗ Увск ~ - Увк " Уск ~ 0, ТО 12
Ивк = Иск , (1.3) т. е. фазные напряжения поврежденных фаз в месте КЗ равны по модулю и совпадают по фазе. Поскольку фазные напряжения при двухфазном КЗ не со- держат составляющих НП, в любой точке сети должно удовле- творяться условие: ЗС/0 = Уак + Ивк + Иск = 0. (1.3а) Учитывая, что в месте КЗ Увк - Иск иПак = На, находим Ubk = Uck ~ - Уак 2 £а (1.36) Следовательно, в месте КЗ напряжение каждой поврежден- ной фазы равно половине напряжения неповрежденной фа- зы и противоположно ему по знаку. На диаграмме вектор Уак совпадает с вектором Ед, а векторы Увк и Иск ~ равны друг другу и противоположны по фазе вектору Ед. Векторная диаграмма в точке Р приведена на рис. 1.5, в. Векторы токов остаются без изменения. Напряже- ния фаз В и С в точке Р равны: Увр = Увк + 1в(Ррк + Р0>я); И ср - Иск + 1c(rpk + jXpk)- (1.4) Чем дальше точка Р отстоит от места КЗ, тем больше напря- жение: Увср ~ Увр - Уср- Напряжение неповрежденной фазы Уар = Ед. Вектор тока 1вр отстает от междуфазного напряже- ния Увср на угол Фк = arctg(Xn/J?n). Двухфазные КЗ характеризуются двумя особенностями: 1) векторы токов и напряжений образуют несимметричную, но уравновешенную систему, что говорит об отсутствии со- ставляющих НП. Наличие несимметрии указывает, что токи и напряжения имеют составляющие обратной последователь- ности (ОП) наряду с прямой; 2) фазные напряжения даже в месте КЗ существенно боль- ше нуля, только одно междуфазное напряжение снижается до нуля, а значение двух Других равно 1,51/ф. Поэтому двух- фазное КЗ менее опасно для устойчивости ЭЭС и потребите- лей электроэнергии. 13
Однофазное короткое замыкание Замыкание на зем- лю одной фазы вызывает появление тока КЗ только в электри- ческих сетях ПО кВ и выше, работающих с глухозаземленны- ми нейтралями трансформаторов. Характер токов и напряже- ний, появляющихся при этом виде повреждения на фазе А, поясняет рис. 1.6, а. Ток КЗ /Ак, возникающий под действием ЭДС £А, проходит по поврежденной фазе от источника питания G и возвращает- ся обратно по земле через заземленные нейтрали N транс- форматоров: (1.5) «с" + + их'” + Х<л'>к) Рис. 1.6. Однофазное КЗ: а — схема; векторные диаграммы токов и напряжений в месте КЗ (б) и в ме- сте установки реле Р (в), токов (г) и напряжений (д) симметричных составля- ющих в месте КЗ 14
Индуктивные и активные сопротивления в этом выражении соответствуют петле фаза-земля и отличаются от значений сопротивлений фаз при междуфазных КЗ. Вектор 7дк отстает от XV)+ хпк вектора ЭДС ЕА на угол (рс = arctg ——-----. В неповреж- + ^л.к денных фазах токи отсутствуют. Напряжение поврежденной фазы А в точке К иА% = 0. На- пряжения неповрежденных фаз1 В и С равны ЭДС этих фаз: Евк = Ев’, Еск = Ес- (1.6) Векторная диаграмма для места повреждения изображена на рис. 1.6, б. Междуфазные напряжения UAbk = У век = = (/вк-Уск; Есак = Еск- Геометрические суммы фазных токов и напряжений равны: Iak + 1вк + 'су = Еак + Евк + Еск = Евк + Еск = 3Уо- (1.6а) Отсюда ясно, что фазные токи и напряжения содержат состав- ляющие НП:;ОК = “/дк; уок = ~(Евк + Еск)- Вектор /ок совпадает по фазе с 1Ак, вектор UoK противопо- ложен по фазе Еа и равен 1/3 нормального (до КЗ) значения напряжения поврежденной фазы A:UoK = - у-ЕА -------~Uan- Ток 70к опережает напряжение UoK на 90°. Векторная диаграмма в точке Р при приведена на рис. 1.6,в. Ток фазы А остается неизменным. Напряжение по- врежденной фазы Uap = Iak(R$ + ) = 1akZ$ • (1.7) Вектор UAP опережает 1Ак на угол срк = arctgCYjf В действительности ток 1дк, проходящий по поврежденной фазе, наводит в фазах В и С дополнительную ЭЛС взаимоиндукции ДЕ, которая отстает по фазе от тока 1Ак на 90’. С учетом взаимоиндукции Увк = Ер + ДЕ и У'ск - - Eq + ДЕ ЭЛС взаимоиндукции увеличивает напряжения неповрежденных фаз и уменьшает угол сдвига фаз между ними (9 < 120°). Для упрощения диа- граммы де не учитывается. 15
Напряжения неповрежденных фаз В и С не изменяются: Увр = &ср = ^с- Междуфазные напряжения U'abp и ^АСР увеличиваются. Векторы НП 1оР и UoP равны: L,p = ~Iak’ UoP = ~(~АР + VbP + UCP~>- Как следует из диаграммы, UqP < UqK по модулю и смеща- ется по фазе из-за наличия активного сопротивления (фаза-земля). Отметим некоторые особенности векторных диаграмм (рис. 1.6, б и е): 1) токи и фазные напряжения образуют несимметричную и неуравновешенную систему векторов, что говорит о наличии кроме прямой составляющих ОП и НП; 2) междуфазные напряжения в точке К больше нуля, пло- щадь треугольника, образованного этими напряжениями, от- личается от нуля. Однофазное КЗ является наименее опа- сным видом повреждения с точки зрения устойчивости ЭЭС и работы потребителей. Двухфазное короткое замыкание на землю (№1,п). Этот вид КЗ также может возникать только в сети с глухозаземленной нейтралью (см. рис. 1.2, г). Векторная диаграмма КЗ на землю двух фаз приведена на рис. 1.7 для точек КиР. Под действием ЭДС Ев и Eq в поврежденных фазах В и С о) Рис. 1.7. Двухфазное КЗ на землю: а — схема; векторные диаграммы токов и напряжений в месте КЗ и в месте установки реле Р (5); напряжения нулевой последовательности и фазных напря- жений в месте КЗ (в) и в точке Р (г)
протекают токи 1Вк и 1Ск, замыкающиеся через землю: —к(э) = Лк + &К- ^-8) В неповрежденной фазе ток отсутствует: ;Лк = о. (1.9) Сумма токов всех трех фаз с учетом (1.8) и (1.9) не равна ну- лю: 1Ак + /Вк + /Ск = /к(з) - ЗД, полные токи содержат состав- ляющую НП. В месте КЗ напряжения поврежденных фаз В и С, замкну- тых на землю, равны нулю: [7ВК- = UCK = 0. Напряжение между поврежденными фазами также равно нулю: UgCK ~ 0. Напря- жение неповрежденной фазы UAK остается нормальным (если пренебречь индукцией от токов 1Вк и /Ск). В точке К треуголь- ник междуфазных напряжений (рис. 1.7, в) превращается в линию, а междуфазные напряжения между поврежденными и неповрежденными фазами УАВ и Уса снижаются до фазно- го напряжения Диаграмма токов и напряжений для точ- ки Р построена на рис. 1.7, б- В связи с увеличением напряжений Увр и UCP увеличива- ются и междуфазные напряжения, растет площадь треуголь- ника междуфазных напряжений и уменьшается напряжение Uo = -^(уАр + Увр + У ср)- Векторные диаграммы при двухфазных КЗ на землю имеют следующие особенности: 1) токи и напряжения несимметричны и неуравновешены, что обусловливает появление кроме прямой составляющих НП и ОП; 2) из-за резкого снижения напряжений в месте КЗ этот вид повреждения после №3) является наиболее тяжелым для устойчивости энергосистемы и потребителей электроэнергии. Двойное замыкание на землю Подобное КЗ возникает в сети с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью. Под двойным замыканием подразумева- ется замыкание на землю двух фаз в разных точках сети (К1 и К2 на рис. 1.8). Под действием разности ЭДС поврежденных фаз Ев - Ес в фазах В и С возникают токи КЗ 1вк и Jex, замыка- ющиеся через землю в точках К1 и К2. В этих точках и в повреж- денных фазах токи КЗ равны по значению и противоположны по фазе: 1вк = ~1ск> в неповрежденной фазе А ток 1Ак ~ 0. 17
ABC ‘a Io~O I Io j [fa | Рис. 1.8. Двойное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью г / I Ja« I \Н1 Векторная диаграмма токов на участке между источником питания и ближайшим местом повреждения (точкой К7) бу- дет такой же, как при двухфазном КЗ без земли (см. § 1.3, рис. 1.5). Сумма токов фаз на этом участке равна нулю (7Ак + + 1вк + 1ск - 0)» следовательно, в токах фаз отсутствуют состав- ляющие НП. На участке ЛЭП между точками замыкания на землю К1 и К2 в условиях одностороннего питания ток КЗ протекает толь- ко по одной фазе (фаза В на рис. 1.8), т. е. так же, как и при однофазном КЗ (см. § 1.3). Векторная диаграмма полных токов и напряжений на этом участке аналогична диаграмме при однофазных КЗ (см. рис. 1.6, б), а в токах и напряжениях на участке KI, К2 появляются составляющие НП. С учетом того, что на этом участке IA = Ic = О, 10 = Поскольку точки К1 и К2 имеют потенциал земли, то в точке К2 УоК2 - -у а в точке KI UoKI = y(UAKJ + UAK2). 1.4. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ Перегрузка оборудования, вызванная сверхтоком, т. е. уве- личением тока сверх номинального значения. Номинальным называется максимальное значение тока, допускаемое для данного оборудования в течение неограниченного времени. Если ток I, проходящий по оборудованию, превышает номи- нальное значение, то за счет выделяемой им дополнительной теплоты температура токоведущих частей и изоляции через некоторое время превосходит допустимое значение, что при- водит к ускоренному старению изоляции и токоведущих ча- 18
Рис. 1.9. Зависимость допустимой длительно- сти перегрузки от значения тока = f(F) Ином — номинальный ток оборудования) Л«)М стей. Время tR> допустимое для прохождения повышенных токов, зависит от их значения. Характер этой зависимости, определяемой конструкцией оборудования и типом изоля- ционных материалов, приведен на рис. 1.9. Причиной сверх- тока может быть увеличение нагрузки или появление КЗ за пределами защищаемого элемента (внешнее КЗ). Для преду- преждения повреждения оборудования при его перегрузке необходимо принять меры к его разгрузке или отключению в пределах времени ta. Повышение напряжения сверх допустимого значения мо- жет возникнуть на гидрогенераторах, а также на турбогенера- торах большой мощности, работающих по схеме блока, при вне- запном отключении их от сети. Для предотвращения повреж- дения оборудования предусматривается РЗ, действующая на гашение поля генератора. Опасное для изоляции оборудования повышение напряже- ния может возникнуть также при одностороннем отключении или включении длинных ЛЭП высокого напряжения (ВН) с большой емкостной проводимостью. Ликвидация опасных повышений напряжения в сетях сверхвысокого напряжения осуществляется с помощью специальной автоматики. Качания возникают при нарушении синхронной работы ге- нераторов электростанций ЭЭС. Для пояснения процесса ка- чаний рассмотрим упрощенную схему ЭЭС с двумя электро- станциями А и В (рис. 1.10, а). В режиме нормальной синхрон- ной работы электростанций А и В электрические частоты вра- щения векторов ЭДС и Eg одинаковы: = (Jg = w = 2л/ (рис. 1.10, б). При отсутствии нагрузки и равенстве по значе- нию и фазе ЭДС Ед = Eg - Е ток в межсистемной ЛЭП отсут- ствует (рис. 1.10, а). В случае нарушения синхронизма, когда, например, Од > положение вектора Ед по отношению к Eg будет изменяться, появится разность ЭДС ДЕ = Ед - Eg, 19
Рис. 1.10. К пояснению действия релейной защиты при качаниях: а — схема энергосистемы; б — векторная диаграмма при наличии между ЭДС угла б; в — диаграмма изменения токов и напряжений; г — определение поло- жения центра качаний под действием которой возникнет уравнительный ток Д, = = ДЕ/(Хд + + Хв). Разность ЭДС ДЕ будет изменяться с из- менением угла 6 (рис. 1.10, б). При 6 = 0 ДЕ = 0, при 6 - 180° ДЕ = 2Е. При дальнейшем нарастании угла 6 ЭДС ДЕ начнет уменьшаться и станет равной нулю, когда 6 достигнет 360° (или 6 = 0). При повторном цикле увеличения 6 процесс изме- нения ДЕ повторяется вновь. Колебания значения ДЕ вызыва- ют соответствующие колебания (качания) значения тока /у и напряжений и Up, как показано на рис. 1.10, в. Напряжение снижается от нормального до некоторого ми- нимального значения, имеющего разное значение в разных точках сети (рис. 1.10, г). В точке Кц, называемой электриче- ским центром качаний, напряжение имеет наименьшее зна- чение и снижается до нуля при б = 180°, когда ЕА = Ер. В осталь- ных точках сети напряжение снижается, но остается больше нуля, нарастая от центра качания Ки к источникам питания А и В. Возрастание тока вызывает нагревание оборудования, а уменьшение напряжения нарушает работу всех потребителей ЭЭС. Качание - очень опасный ненормальный режим, отражающийся на работе всей ЭЭС. По характеру изменения тока и напряжения (рис. 1.10, в) ка- чания похожи на КЗ. Большинство устройств РЗ могут прихо- 20
лить в действие при качаниях и отключать защищаемые ими элементы. Такие хаотичные отключения разделяют ЭЭС на изолированные участки с дефицитом или избытком генери- руемой мощности, что может привести к частичному или пол- ному нарушению электроснабжения питающихся от ЭЭС по- требителей. Поэтому необходимы меры, исключающие хаотич- ное действие РЗ при возникновении качаний. Асинхронный режим. К ненормальным режимам относится также работа синхронного генератора без возбуждения [на- пример, при отключении автомата гашения поля (АГП)]. При работе в асинхронном режиме увеличивается частота враще- ния генератора и возникает пульсация тока статора. Для гене- раторов некоторых типов длительная работа в асинхронном режиме не допускается, а для других допускается лишь при уменьшенном значении активной мощности. В отдельных случаях потеря возбуждения, не представляя опасности для самого генератора, может послужить причиной резкого сни- жения напряжения, угрожающего нарушением устойчивости параллельной работы. В этом случае генератор, оставшийся без возбуждения, должен быть немедленно отключен от сети. 1.5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ Требования к РЗ от повреждений и к РЗ, реагирующей на ненормальные режимы, имеют некоторые различия, поэтому они рассматриваются раздельно [1,10]. Требования к защите от повреждений. Защита от поврежде- ний должна удовлетворять четырем основным требованиям: действовать селективно, быстро, обладать необходимой чув- ствительностью к повреждениям и надежно выполнять свои функции. Селективность. Селективностью, или избиратель- ностью, РЗ называется ее способность отключать только по- врежденный участок сети. Так, при КЗ в точке К1 (рис. 1.11) РЗ должна отключать поврежденную ЛЭП выключателем Q2, ближайшим к месту повреждения. При таком действии РЗ электроснабжение всех потребителей, кроме питавшихся от поврежденной ЛЭП, сохраняется. В случае КЗ в точке К2 при селективном действии РЗ должна отключаться повреж- денная ЛЭП W1, а ЛЭП W2 оставаться в работе. При этом все 21
Ц7 Т Рис. 1.11. Селективное отключение КЗ в сети потребители сохраняют питание. Селективность РЗ является обязательным требованием, отступление от него допускает- ся только для обеспечения быстродействия, когда неселек- тивное отключение не влечет за собой опасных последствий. Быстрота действия. Отключение КЗ должно произво- диться с возможно большей быстротой для ограничения разме- ров разрушения в месте повреждения, обеспечения термиче- ской стойкости оборудования, кабельных и воздушных ЛЭП, повышения эффективности АПВ ЛЭП и сборных шин, умень- шения влияния снижения напряжения на работу потребите- лей и сохранения устойчивости параллельной работы генера- торов электростанций. Допустимое время отключения КЗ по условию сохранения устойчивости зависит от длительности и глубины снижения напряжения, характеризуемой значением остаточного напря- жения на шинах ЭС и узловых ПС, связывающих электростан- ции с ЭЭС. Чем меньше остаточное напряжение, тем вероят- нее нарушение устойчивости и, следовательно, тем быстрее нужно отключать КЗ. Наиболее тяжелыми по условиям устойчивости являются трехфазные КЗ и двухфазные КЗ на землю в сети с глухозаземленной нейтралью (см. рис. 1.2, а иг). Для сохранения устойчивости энергосистем требуется весь- ма малое время отключения КЗ. На ЛЭП 750-1150 кВ между- фазные КЗ необходимо отключать через 0,06-0,08 с после их возникновения, на ЛЭП 330-500 кВ - за 0,1-0,12 с, на ЛЭП 110-220 кВ-за 0,15-0,3 с. В качестве приближенного критерия необходимости приме- нения быстродействующих РЗ Правила устройства электро- установок (ПУЭ) [1] рекомендуют определять остаточное на- пряжение на шинах ЭС и узловых ПС при трехфазных КЗ в конце защищаемого участка. Если остаточное напряжение получается ниже 60% номинального, то для сохранения устой- чивости следует обеспечить быстрое отключение поврежде- ний, т. е. применять быстродействующую РЗ. 22
Рис. 1.12. Зоны действия РЗ Приведенное выше полное время отключения КЗ Го к скла- дывается из времени действия РЗ t3 и выключателя tB, разры- вающего ток КЗ t0K = (t3 + tB). Для уменьшения времени отключения КЗ необходимо уско- рять действие как РЗ, так и выключателей. Выключатели 220-750 кВ действуют с Гв = 0,04 -е- 0,06 с. Наиболее быстродей- ствующие РЗ, применяемые в отечественных энергосистемах, действуют с t3 = 0,02 * 0,04 с. В распределительных сетях 6-35 кВ, удаленных от основных ЭС, допускается отключение КЗ с временем 1,5-3 с. Однако и в этих сетях следует стремиться к уменьшению времени действия РЗ. Селективные быстродействующие РЗ сложны и дороги. В целях упрощения допускают применение простых быстро- действующих РЗ, не обеспечивая необходимой селективно- сти. При этом для исправления неселективности использу- ют АПВ, быстро включающее обратно неселективно отключив- шийся участок при КЗ за его пределами. Чувствительность. РЗ должна обладать достаточной чувствительностью при возникновении КЗ в пределах зоны ее действия. Так, например, Р31 (рис. 1.12) должна отключать по- вреждения на участке АВ (первом - основном), защищаемом Р31, и, кроме того, иметь достаточную чувствительность для действия при КЗ на следующем (втором - резервируемом) участке ВС, защищаемом Р32. Последняя функция Р31 назы- вается дальним резервированием. Такое резервирова- ние необходимо для отключения КЗ в том случае, если РЗ второго участка (Р32) или выключатель Q2 не подействуют из-за неисправности. Таким образом, РЗ, предназначенные для дальнего резервирования, должны быть чувствительны и к КЗ в конце следующего участка (ВС, рис. 1.12). Чувствительность РЗ должна быть достаточной во всех, в том числе и в минимальных, режимах ЭЭС. Подобным режи- 23
Рис. 1.13. Неселективное отключение КЗ в случае отказа РЗ мом электростанции А (рис. 1.12) будет вывод из работы одно- го или нескольких генераторов. Таким образом, чувствительность РЗ должна быть достаточ- ной для надежного действия ее при КЗ в конце установленной для нее зоны в минимальном режиме энергосистемы и при замыканиях через переходное сопротивление Rn. Требования к чувствительности РЗ для разных защищаемых объектов при- ведены в ПУЭ. Надежность. Требование надежности состоит в том, что РЗ должна безотказно работать при повреждении в пределах установленной для нее зоны и не должна работать неправиль- но, когда работа ее не предусматривается. Отказ в работе или неправильное действие РЗ приводят к дополнительному на- рушению электропитания потребителей, а иногда к авариям системного значения. Например, при КЗ в точке К1 (рис. 1.13) и отказе Р31 сработает РЗЗ, в результате чего дополнительно отключатся подстанции II и III, а при неправильной работе Р34 в нормальном режиме отключится ЛЭП W4, и потребители подстанций I-IV потеряют питание. Надежность устройств РЗ обеспечивается простотой их схем, уменьшением в них количества элементов, реле, контактных соединений, простотой и надежностью применяемых конструк- ций и схем, реле, полупроводниковых элементов, качеством изготовления вспомогательной аппаратуры и монтажных ма- териалов, качеством самого монтажа и контактных соедине- ний, а также периодической проверкой исправности РЗ в про- цессе эксплуатации. Важное значение для надежности РЗ имеет автоматический и тестовый контроль за ее исправностью. Общие принципы выполнения РЗ элементов энергосистемы регламентируются ПУЭ [1], Руководящими указаниями по релейной защите [2-8].
Требования к РЗ от ненормальных режимов. Эти РЗ также должны обладать селективностью, чувствительностью и надеж- ностью. Быстроты действия от них, как правило, не требуется. Отключение оборудования при ненормальном режиме должно производиться только тогда, когда создается опасность его повреждения. Если устранение ненормальных режимов может произвести дежурный персонал с соблюдением Гдоп, РЗ от не- нормальных режимов может выполняться с действием только на сигнал. 1.6. СТРУКТУРНЫЕ ЧАСТИ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЗ Каждое устройство РЗ должно обнаружить повреждение и дать команду на отключение силового выключателя. Оно имеет три структурные части (рис. 1.14): измерительную (реагиру- ющую), логическую (оперативную), управляющую (исполни- тельную). Измерительная часть (ИЧ) (рис. 1.14) осуществляет непре- рывный контроль за состоянием защищаемого объекта и, реа- гируя на появление в нем повреждения (или ненормального режима), срабатывает и выдает дискретные сигналы на вход логической части (ЛЧ), приводящие ее в действие. В качестве контролируемых величин (входных сигналов) служит в зависимости от вида РЗ ток или (и) напряжение за- щищаемого объекта. Эти величины в установках с рабочим напряжением выше 1000 В подводятся к измерительной части защиты через измерительные трансформаторы тока ТА и на- пряжения TV. Логическая часть (ЛЧ) воспринимает дискретные сигналы ИЧ, производит с помощью логических элементов (реле) по заданной программе логические операции и подает выходной сигнал о срабатывании РЗ на управляющую часть (УЧ). Рис. 1.14. Структурная схема релейной защиты 25
Управляющая (исполнительная) часть (УЧ) служит для уси- ления сигнала ЛЧ до значения, необходимого для отключения выключателя и приведения в действие других устройств, по- скольку сигналы ЛЧ (особенно при выполнении ее на полупро- водниковых элементах) обычно имеют недостаточную мощ- ность, и для размножения сигнала ЛЧ. Источник питания (ИП). Для приведения в действие элемен- тов ЛЧ и УЧ, подачи команды на отключение выключателей, а также для питания полупроводниковых элементов ИЧ и ЛЧ предусматривается специальный источник стабильного напряжения. Элементные базы. В практике современного релестроения используются три типа элементных баз: электромеханическая, которая может использовать- ся для осуществления всех функциональных частей и органов РЗ в виде электромеханических реле; полупроводниковая, которая может использоваться для осуществления всех функциональных частей и органов РЗ в виде полупроводниковых элементов, аналоговых и циф- ровых микросхем; микропроцессорная, которая может использоваться для осуществления измерительной и логической частей РЗ на базе микроЭВМ или многопроцессорных систем, основным элементом которых являются микропроцессоры. Основные элементы РЗ. Устройство РЗ состоит из реле, соединенных между собой по определенной схеме. Реле, условно показанное на рис. 1.15, а, представляет со- бой автоматически действующий аппарат, реагирующий на изменение подводимой к его входу электрической величины X (тока, напряжения или их функций). При определенном зна- чении входной величины X, называемой параметром срабаты- вания Хср, реле приходит в действие - срабатывает. При этом на его выходе скачком появляется выходной сигнал (обычно в виде напряжения или тока), воздействующий на подключен- ную к выходным зажимам реле цепь управления каким-либо устройством, например другим реле или приводом силового выключателя. В технике РЗ длительное время применяются реле с комму- тирующими контактами - электромеханические, имеющие подвижные части. В последние годы широкое распространение получают более совершенные реле - бесконтактные, статиче- 26
^(^вих.Цых) Реле т S) Рис. 1.15. К пояснению принципа действия РЗ: а — структурная схема реле; б — принцип дей- ствия РЗ с электромеханическим реле; в - прин- цип действия РЗ со статическими реле; г, д — проходная характеристика реле ские без подвижных частей, выполняемые на полупроводнико- вых элементах. У первых при срабатывании подвижная систе- ма приходит в действие, контакты К замыкаются (рис. 1.15, б) и подают на управляемую ими цепь напряжение Un от специ- ального источника питания (ИП). Под действием этого напря- жения в управляемой цепи возникает ток 1у. У вторых (бес- контактных) реле при срабатывании на выходе реле возника- ет сигнал в виде напряжения 1/вых, вызывающий появление тока в управляющей цепи (рис. 1.15, в). На рис. 1.15, г приведе- на характерная для обоих видов реле зависимость выходного сигнала У от входного X: У = f(X), которая называется про- ходной характеристикой. Входной сигнал, при котором реле срабатывает, обозначен Хср. Если после срабатывания реле X начнет уменьшаться (пунк- тирная линия на рис. 1.15, г), то до некоторого значения Хв<р У остается неизменным. Но как только X станет равным Хвр, выходной сигнал скачком снижается до начального уровня Ун, и реле возвращается в исходное состояние. Значение Хв_р называется величиной возврата реле. 27
Скачкообразное изменение выходного сигнала в реле называют дискретным, а проходную характеристику - ре- лейной. Входной сигнал X может быть непрерывным (рис. 1.14, д) или дискретным (рис. 1.14, г). Автоматы любой конструкции, имеющие релейную проходную характеристику, относятся к классу реле. Виды реле. Элементы ИЧ. Измерительная часть состоит из измерительных реле (ИР), называемых также измери- тельными органами РЗ (ИО). На вход ИО непрерывно по- дается один, два или несколько входных сигналов в виде тока или напряжения (7р и Ср) защищаемого объекта, дающие ин- формацию о его состоянии. Измерительный орган срабатыва- ет, если входные сигналы фиксируют появление повреждения. Условие срабатывания ИО записывается в виде уравнения С’вь.х = /Ци Ц>)« Проходная характеристика ИО имеет релейный характер (рис. 1.15, г). Выходной сигнал имеет два дискретных значения, соответствующих действию и недействию ИО. В качестве ИО применяются реле тока, напряжения, сопро- тивления и др. Измерительные реле, действующие при возрас- тании величины, на которую они реагируют (например, тока), называются максимальными, а при снижении этой вели- чины -минимальными. По способу включения на ток и напряжение сети измери- тельные реле делятся на вторичные - включаемые на ток I и напряжение U защищаемого участка через измерительные трансформаторы тока ТА и напряжения TV (рис. 1.16, а, б), и первичные - включаемые непосредственно на первичные токи и напряжения (рис. 1.16, в, г). Вторичные реле имеют существенные преимущества по сравнению с первичными - они изолированы с помощью изме- рительных трансформаторов от высокого напряжения, распо- лагаются в удобном для обслуживания месте на безопасном расстоянии от оборудования высокого напряжения, могут вы- полняться стандартными на одни и те же номинальные токи 5 или 1 А и номинальное напряжение 100 В вторичных обмоток измерительных трансформаторов, независимо от напряжения и тока первичной цепи защищаемого объекта. Элементы ЛЧ. Логическая часть состоит из типовых эле- ментов (реле) различного назначения: органов логики (ОЛ), выполняющих типовые логические операции; элементов време- ни (ЭВ) или органов времени (ОВ), создающих выдержки вре- 28
Рис. 1.16. Схемы включения реле: а, б—вторичных; в, г — первичных мени; органов памяти (ОП), продлевающих действие кратко- временного сигнала; сигнальных органов (СО), подающих сиг- налы о действии РЗ или ее отдельных органов. По характеру выполняемых функций эти реле называются логическими или вспомогательными (в отличие от ИО, которые считаются ос- новными). Элементы исполнительной части. В контактных схемах функции усиления выходных сигналов и размножения сигна- лов выполняются промежуточными электромеханическими реле с контактами, способными замыкать цепь тока до 5-10 А электромагнитов отключения (ЭО) выключателей или других устройств. В бесконтактных схемах эти функции выполняют- ся с помощью промежуточных реле или посредством тиристор- ных схем управления. 1.7. ВИДЫ УСТРОЙСТВ РЗ Все РЗ делятся на основные и резервные. Основны- ми называются РЗ, обеспечивающие отключение поврежде- ний в пределах защищаемого элемента с требуемыми быст- ротой и чувствительностью. Резервными называются РЗ, осу- ществляющие резервирование основной РЗ в случае ее отказа или вывода из работы и защиту следующего участка в случае отказа его РЗ или выключателя. По способу обеспечения селективности дей- ствия РЗ подразделяются на два вида. Имеются РЗ, зона дей- ствия которых не выходит за пределы защищаемого объек- та. Они выполняются без выдержки времени и называются РЗ с абсолютной селективностью. Другая группа РЗ 29
действует при КЗ как на защищаемом элементе, так и за его пределами. Их селективность обеспечивается подбором вы- держек времени. Такие РЗ называют защитами с относи- тельной селективностью. По принципу действия измерительных органов, определя- ющих факт возникновения КЗ и место его нахождения, разли- чают группы РЗ, реагирующие на следующие факторы: увели- чение тока, уменьшение сопротивления, появление разности токов по концам защищаемого участка, изменение фаз тока относительно напряжения. 1.8. ИЗОБРАЖЕНИЕ СХЕМ РЗ НА ЧЕРТЕЖАХ Схемы устройств РЗ изображают на чертежах в виде принци- пиальных, структурных, функциональных и монтажных. Принципиальная схема дает представление о принци- пах действия комплекта РЗ, не отражая его монтажного ис- полнения. На схеме показываются все реле и элементы, вхо- дящие в комплект, со всеми связывающими их электрически- ми цепями. Контакты реле показываются на схемах в поло- жении, соответствующем отсутствию тока в обмотках реле. Реле разных типов обозначаются латинскими буквами по меж- дународному стандарту, принятому в единой системе кон- структорской документации (ЕСКД). Принципиальные схемы РЗ обычно изображаются в виде двух-трех схем: отдельно ИЧ и ЛЧ, УЧ цепи и сигнализация. Микросхемы показываются в принятом для них условном изо- бражении без внутренних соединений. Структурные схемы изображают основные части (блоки), из которых состоит рассматриваемое устройство, определяют взаимосвязь частей с указанием последовательности их дей- ствия. Блоки изображаются прямоугольниками с обозначением, поясняющим их назначение. Входящие в состав частей органы реле и элементы не показываются. Функциональные схемы детальнее, чем на структурных схемах, показывают, из каких функциональных органов и элементов состоит устрой- ство РЗ или его отдельная структурная часть. Монтажные схемы предназначаются для выполнения монтажа устройства из элементов, входящих в его состав, или показывают, как такой монтаж уже осуществлен заводом-из- готовителем. 30
1.9. ИСТОЧНИКИ И СХЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА Назначение и основные требования. Источники оператив- ного тока осуществляют питание цепей дистанционного управления выключателями, устройств РЗ, автоматики и дру- гих средств управления. Питание оперативных цепей управления, цепей РЗ и дру- гих устройств, от которых зависит отключение поврежденных элементов энергосистемы и ликвидация ненормальных режи- мов, должно отличаться особой надежностью. Поэтому глав- ное требование, которому должен отвечать источник опе- ративного тока, состоит в том, чтобы во время любых повреж- дений и ненормальных режимов напряжение источника опе- ративного тока и его мощность всегда имели достаточное зна- чение как для безотказного действия устройств РЗ, автома- тики, телемеханики и сигнализации, так и для надежного отключения и включения соответствующих выключателей. Для питания оперативных цепей применяются источники постоянного и переменного тока. Постоянный оперативный ток. В качестве источника по- стоянного тока служат аккумуляторные батареи с номиналь- ным напряжением 220-110 В; на небольших подстанциях иног- да применяются батареи 48 В. От аккумуляторных батарей осуществляется централизованное питание всех устройств РЗ, автоматики, цепей управления и сигнализации. Аккумуляторная батарея GB подключается к сборным ши- нам (рис. 1.17), от которых получают питание все потребители постоянного тока. Аккумуляторные батареи обычно работают в режиме постоянного подзаряда, что позволяет обеспечить их непрерывную готовность к действию в полностью заряжен- ном состоянии. Для этой цели на сборные шины параллельно GB включается постоянно работающее подзарядное устрой- ство (ПУ). Первоначально подобные устройства выполнялись в виде генератора постоянного тока, приводимого в действие электродвигателем, получающим питание от сети перемен- ного тока; в последнее время стали применяться полупровод- никовые выпрямители. Самым ответственным участком являются цепи РЗ и ав- томатики, цепи управления силовыми выключателями и их электромагнитов отключения (ЭО) - они получают питание от шинок, называемых шинками управления ШУ. Вторым по зна- чению участком являются цепи электромагнитов включения 31
Рис. 1.17. Принципиальная схема питания оперативных цепей РЗ, управления и сигнализации оперативным постоянным током (ЭВ) выключателей, питающиеся также от отдельных ши- нок ШВ. Третьим по значению участком, менее ответственным, является сигнализация, питающаяся от шинок ШС. Остальные потребители постоянного тока (аварийное освещение, неко- торые электродвигатели собственных нужд) образуют четвер- тый участок, питающийся от отдельной шинной сборки или непосредственно от сборных шин; шинки ШУ, ШВ, ШС по сооб- ражениям надежности секционируются. На ЭС и крупных узловых ПС главные сборные шины пита- ния цепей управления для повышения надежности (при по- вреждениях на главных шинах) выполняются в виде двух сек- ций, каждая из которых получает питание от аккумулятор- ной батареи через автоматические выключатели или предо- хранители. Потребители, подключенные к шинкам ШУ, ШВ, ШС, подразделяются на участки по территориальному принципу (РУ 220, 110 кВ; щит управления и т. п.). Каждый такой учас- 32
Рис. 1.19. Образование ложной цепи на отключение выключателя при замыканиях на землю в двух точках сети постоянного тока Рис. 1.18. Контроль исправности цепи отключения выключателя с помпщып реле КН ток питается по кольцевой схеме не менее чем по двум ли- ниям, отходящим от разных секций соответствующих шинок. Все линии и подключенные к ним элементы должны иметь надежную защиту от КЗ. Она выполняется предохранителя- ми FQ или автоматическими выключателями. На главной пи- тающей цепи и идущей от батареи GB на сборные шины также устанавливается автоматический выключатель SF или предо- хранитель. Характеристики времени действия всех предохра- нителей и автоматических выключателей должны согласовы- ваться и обеспечивать селективность отключения повреж- денного элемента при КЗ в сети постоянного тока. Ток сраба- тывания защитных устройств отстраивается от максималь- ного тока нагрузки и должен обеспечивать их действие при КЗ в конце следующего резервируемого участка. Для выявления неисправностей в сети постоянного тока предусматриваются специальные устройства контроля. Напри- мер, исправность предохранителей, целостность цепи ЭО и вспомогательных контактов выключателя SQ контролирует- ся реле КН (рис. 1.18). В сетях постоянного тока возможны замыкания на землю. В случае замыканий на землю в двух точках К1 и К2 (рис. 1.19) контакты РЗ шунтируются и в электромагните отключения YAT появляется ток, под действием которого выключатель может ложно отключиться. Чтобы предупредить подобные от- ключения, применяется контроль за появлением ’’земли” на постоянном токе. Контроль осуществляется при помощи вольтметров VI и V2 и сигнального реле KL, как показано на рис. 1.17. Аккумуляторные батареи являются самым надежным ис- точником литания устройств РЗ, так как они готовы к действию 33
в любой момент времени с необходимым уровнем напряжения и мощности независимо от состояния основной сети перемен- ного тока. В то же время у аккумуляторных батарей имеются и недостатки. Вследствие высокой надежности они устанавли- ваются на всех ЭС и на ПС с напряжением ПО кВ и выше. Они значительно дороже других источников оперативного тока, для них требуются подзарядные установки, специальные помещения, для их обслуживания необходим квалифициро- ванный персонал. Из-за централизации питания создается сложная, протяженная, дорогостоящая и требующая боль- шого количества контрольного кабеля сеть постоянного тока. В связи с этим на ПС в распределительных сетях 6, 10, 35, а иногда и ПО кВ получили применение источники перемен- ного оперативного тока. Переменный оперативный ток. Для питания оперативных цепей переменным током используется ток или напряжение первичной сети. В качестве источника переменного оператив- ного тока служат трансформаторы тока (ТТ), трансформаторы напряжения (TH) и трансформаторы собственных нужд (ТСН). Трансформаторы тока (ТТ) являются надежным источником питания оперативных цепей РЗ от КЗ. Вторичный ток ТТ при КЗ резко возрастает, соответственно увеличиваются вторичные напряжение и мощность ТТ, что и обеспечивает надежное пи- тание оперативных цепей при КЗ. Однако при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся увеличением тока на защищаемом присоединении, ток и мощность ТТ ока- зываются недостаточными для действия логических элемен- тов РЗ и срабатывания выключателей. По тем же причинам ТТ нельзя использовать для дистанционного управления вы- ключателями в нормальном режиме, а также при отсутствии напряжения (и тока) на защищаемом объекте. Трансформаторы напряжения (TH) и собственных нужд (ТСН), подключенные к сети, питающей защищаемый объект, непригодны для питания оперативных цепей РЗ от КЗ, так как при КЗ напряжение в этой сети резко снижается. При повреж- дениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся по- нижениями напряжения в сети, TH и ТСН могут использо- ваться для питания РЗ от перегрузкр и от замыканий на землю. Принципы выполнения схем РЗ на переменном оперативном токе рассмотрены в гл. 4. По сравнению с аккумуляторной ба- тареей источники переменного оперативного тока имеют мень- 34
шую стоимость, требуют менее сложного обслуживания и не нуждаются в специальном помещении. Недостатком источников оперативного переменного тока является ограниченная мощность, как правило, недостаточ- ная для отключения выключателей в сетях напряжением вы- ше 35 кВ с применяемыми в отечественной практике электро- магнитными и пневматическими приводами. Источники переменного оперативного тока получили широ- кое распространение для питания токовых РЗ в сетях 6-35 и отчасти ПО кВ [9,12,19]. Особые требования к источникам оперативного тока предъ- являются РЗ, выполняемыми на полупроводниковых элемен- тах. Эти источники питания рассмотрены в гл. 2. Вопросы для самопроверки 1. Чем определяется необходимость мгновенного отключе- ния КЗ на линиях? 2. Какой вид КЗ и в какой точке сети является наиболее опасным? 3. Отчего зависит значение остаточного напряжения на ши- нах подстанции при КЗ на отходящей линии? 4. Как и почему изменяется угол (р при КЗ С<рк) относитель- но угла при нормальном режиме (срн р)? 5. Составляющие каких последовательностей токов и на- пряжений возникают при К(Э); №2); №1); №1,1)? 6. От чего зависит время отключения повреждения на ли- нии? 7. В чем опасность ложного действия защиты, а также отка- за в действии защиты? 8. Какой источник оперативного тока является наиболее надежным?
Глава вторая ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНОВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ 2.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ Элементная база. В устройствах РЗ и электрической автома- тики применяются реле, выполняемые на базе электромехани- ческих конструкций, на полупроводниковых приборах, изго- тавливаемые из отдельных диодов, транзисторов и вспомога- тельных деталей (резисторов, конденсаторов, трансформа- торов). В последнее время широкое распространение получи- ли полупроводниковые реле, основанные на полупроводнико- вых интегральных микросхемах [34]. Электромеханические реле и выполняемые на их основе РЗ обладают большими габаритами, значительным потребле- нием мощности, требуют тщательного и трудоемкого ухода за состоянием подвижных частей и коммутационных контактов, имеют ограниченные возможности в обеспечении повышенных требований в части быстродействия и чувствительности. В 60-х годах, когда в электронной технике получили широ- кое применение полупроводниковые приборы, они стали использоваться и в РЗ. Сначала появились реле, построенные из отдельных (дискретных) полупроводниковых приборов, соединяемых с помощью монтажных проводников. Такое ис- полнение позволяло несколько уменьшить габариты и по- требление мощности реле, повысить чувствительность и бы- стродействие. Однако слабой стороной таких реле оказались многочисленные и трудноконтролируемые пайки в соедини- тельных цепях и большое число полупроводниковых элемен- тов [16]. Новые возможности для совершенствования РЗ появились в 70-х годах в связи с появлением ИМС, которые состоят из большого числа транзисторов, диодов, резисторов, конденса- торов, соединенных по типовым схемам. Все указанные эле- менты и связи с ними выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины, называемой подлож- кой, с помощью специальной интегральной технологии. Все полупроводниковые компоненты, входящие в состав микросхе- мы, являются органической частью полупроводниковой плас- тины и неотделимы от нее. Поэтому каждая ИМС является 36
самостоятельным неделимым элементом, выполняющим оп- ределенную функцию. В микросхемах, используемых в устрой- ствах РЗ, может находиться от нескольких десятков до 100 эле- ментов и более, но несмотря на это размеры ИМС соизмеримы с размером одного транзистора. Элементом реле становится микросхема, что уменьшает число составных частей реле и упрощает схему защиты. Применение ИМС позволяет существенно сократить габа- риты, массу, потребляемую мощность и повысить надеж- ность РЗ. Интегральные микросхемы помещены в герметиче- ский корпус и защищены от влияния внешней среды, что зна- чительно повышает их надежность; успешно решается задача по снижению габаритов, потребления и стоимости аппарату- ры. Построение реле на ИМС существенно упрощает и снижает трудоемкость эксплуатационного обслуживания устройств РЗ в целом. Открываются возможности улучшения всех пара- метров реле и усовершенствования характеристик срабатыва- ния. Отечественная промышленность серийно выпускает ре- ле и РЗ на ИМС [42-44]. Перспективным направлением дальнейшего совершенство- вания РЗ является их построение на базе микропроцессоров. В нашей стране ведутся разработки и подготовка к производ- ству РЗ на микропроцессорах. Структурная схема измерительных органов и их классифи- кация. При всем многообразии измерительных органов (ИО) в их структуре имеются четыре функциональных части, общие для всех разновидностей: воспринимающая 1 - входная часть ИО (рис. 2.1), ко- торая принимает поступающие от измерительных ТТ и TH защищаемого объекта сигналы (на рис. 2.1 показано реле, реагирующее на два сигнала: ток I и напряжение 17) и превра- щает их в величины, пригодные для использования в данной конструкции реле; преобразующая 2 (формирующая), которая, получив сиг- налы от воспринимающей части, преобразует их в сравнива- емые величины; сравнивающая 3, которая производит сравнение сформи- рованных величин по абсолютному значению или фазе с за- данной величиной или между собой и по результату сравнения выдает сигнал о срабатывании или недействии реле; и с по л ни те л ь н а я 4, которая усиливает выходной сигнал и воздействует на управляемую цепь.
Рис. 2.1. Структурная схема реле У реле, работающих с выдержкой времени, имеется пятая функциональная часть, осуществляющая замедление дей- ствия реле. Измерительные органы (реле), реагирующие на электриче- ские величины, можно подразделить на три группы: измерительные органы (ИО), реагирующие на одну электри- ческую величину: ток или напряжение; ИО, реагирующие на две электрические величины: ток и напряжение сети или два напряжения Ц и Ц1} каждое из ко- торых является функцией тока и напряжения сети; ИО, реагирующие на три электрические величины или бо- лее, например: три тока и три напряжения сети или несколь- ко напряжений, представляющих линейные функции токов и напряжения сети. К первой группе относятся ИО тока и напряжения. Ко вто- рой принадлежат однофазные ИО мощности, сопротивления и некоторые другие. К третьей относятся трехфазные реле мощности, многофазные реле сопротивления и другие устрой- ства. В данной главе рассматриваются наиболее распространен- ные принципы устройства основных типов электромеханиче- ских реле и ИО, выполненных на интегральных микросхемах, применяемые во всех видах защит. Принципы действия и устройство ИО, предназначенные для отдельных защит - дифференциальных, дистанционных и других, рассматриваются в главах, посвященных этим за- щитам. 2.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ Отечественная промышленность изготовляет электроме- ханические реле в основном на электромагнитном и индук- ционном принципах. Устройство и принцип действия электромагнитных реле. Принцип действия электромагнитных реле основан на притя- 38
Рис. 2.2. Типы электромагнитных реле: а — с втягивающимся якорем; б — с поворотным якорем; в — с поперечным движением якоря жении стальной подвижной системы к электромагниту при прохождении тока по его обмотке [15, 22]. На рис. 2.2 представлены три основные разновидности кон- струкций электромагнитных реле, содержащих: электромаг- нит 1, состоящий из стального магнитопровода и обмотки; стальную подвижную систему (якоря) 2, несущую подвижный контакт 3; неподвижные контакты 4; противодействующую пружину 5. Проходящий по обмотке электромагнита ток 1р создает магнитодвижущую силу (МДС) wp/p, под действием которой возникает магнитный поток Ф1, замыкающийся через магни- топровод электромагнита 1, воздушный зазор 6 и подвижную систему 2. Якорь намагничивается, появляется электромагнит- ная сила F3, притягивающая якорь к полюсу электромагнита. Если сила F3 преодолевает сопротивление пружины, то якорь приходит в движение и своим подвижным контактом 3 замы- кает неподвижные контакты реле 4. При прекращении или уменьшении тока I до значения, при котором сила F. стано- р j вится меньше силы Fn сопротивления пружины 5, якорь воз- вращается в начальное положение, размыкая контакты 4. При питании обмотки реле переменным током Jp - sin tot под Ф подра- зумевается мгновенное значение потока Ф( = 0rnsinwt или его действующее значение. 39
Начальное и конечное положения якоря ограничиваются упо- рами 6. Силы и момент, действующие на подвижную систему реле. Как известно [10], электромагнитная сила F3, притяги- вающая стальной якорь к электромагниту и вызывающая дви- жение якоря, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф в воздушном зазоре: F3 = кф2. (2.1) Магнитный поток Ф и создающий его ток Jp связаны соот- ношением Ф = BS = р р , (2.2) RM где - магнитное сопротивление пути1 * *, по которому замы- кается магнитный поток Ф; vvp - количество витков обмотки реле. Магнитное сопротивление магнитопровода электромагни- та RM состоит из сопротивления его стальной части Rc и воз- душного зазора 5 RB3: Rm = + з • Подставив (2.2) в (2.1), получим = к'^/р- (2-3) У реле с поворотным якорем и с поперечным движением якоря (рис. 2.2, б, в) электромагнитная сила F3 образует вра- щающий момент Ч = ЛЛ = (2-4> где d - плечо силы F3. Из (2.3) и (2.4) следует, что сила притяжения F3 и ее момент Мэ пропорциональны квадрату тока в обмотке реле и имеют, 1 Магнитное сопротивление Ru участков магнитной цепи Rc и RB 3 пропор- ционально его длине I и обратно пропорционально сечению участка S и абсо- лютной магнитной проницаемости ца = цц0, т. е, RM=//(paS). 40
следовательно, постоянное направление, не зависящее от на- правления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и переменного тока и широко используется для изготовле- ния измерительных реле тока, напряжения и вспомогательных реле логической части: промежуточных, сигнальных и реле времени. При перемещении якоря электромагнитного реле в сторону срабатывания уменьшаются воздушный зазор 6 (рис. 2.2) и соответственно J?M. При постоянстве тока в реле уменьшение RM вызывает увеличение магнитного потока Ф (2.3), что обус- ловливает возрастание F3 и Мэ (2.4). У реле с поперечным движением якоря и с втягивающимся якорем поле в воздушном зазоре нельзя считать однородным. Для этих конструкций зависимости RM = /(6), F3 = Д6) и Мэ = = f(a) имеют сложный характер (рис. 2.2, а, б). Силу F3 и момент М3 можно выразить через производную магнитной проводимо- сти воздушного зазора [10] уравнением 1 dGB 3 4 = F, (2-5) где GB 3 - магнитная проводимость воздушного зазора, равная 1/Яв,3.’ Сила (момент), противодействующая движению подвижной системы реле, создается пружиной (Fn и Мп), трением и тя- жестью подвижной системы (FT и Мт). При движении якоря на замыкание контактов Fn и Мп увеличиваются с уменьше- нием 6 по линейному закону: Мп = ка (рис. 2.3, а); сила трения FT остается неизменной. Токи срабатывания и возврата реле, коэффициент возврата. Ток срабатывания. Реле начинает действовать, когда F, = F,.c.p = Ы + FT, или Мэ = Мэср = Мп + Мт. (2.6) Наименьший ток, при котором ре/te срабатывает, называет- ся током срабатывания 1ср. В реле, выполняющих функции ИО, предусматривается возможность регулирования /ср изменением числа витков об- 41
Рис. 2.3. Зависимость магнитного со- противления Км, электромагнитной силы F3 и электромагнитного момен- та Мэ от воздушного зазора в: а — реле с поворотным якорем F3 = /(б); б — реле с поперечным дви- жением якоря Мэ=/(а) Рис. 2.4. Диаграмма электромагнит- ных и механических сил при сра- батывании и возврате токового реле: 1 - Мэ = /(б) при 1р = /с.р = const; 2 - Мп = /(б); 3 - Мэ =’/(б) при ^р = ^ВОЗ = ConS^ мотки реле (ступенями) и момента противодействующей пру- жины Мп (плавно). Ток возврата. Возврат притянутого якоря в исходное положение происходит при уменьшении тока в обмотке реле под действием пружины 5 (см. рис. 2.2), когда момент Мп преодолевает электромагнитный момент Мэ.воэ и момент трения Мт. Как следует из рис. 2.4, это произойдет при соблю- дении условия ^П2 » М'2 + Мт, (2.7) где Мэ'2 - момент, при котором начинается возврат реле. Током возврата реле 1в03 называется наибольшее значение тока в реле, при котором якорь реле возвращается в исходное положение. Коэффициент возврата. Отношение токов ^воз^с.р называется коэффициентом возврата /св: У реле, реагирующих на возрастание тока, 1с.р > 1воз и k3 < 1. 42
Из диаграммы (рис. 2.4) следует, что чем больше избыточный момент ДМ и момент трения Мт, тем больше разница между 4оз и Д:.р и тем меньше кв. Особенности работы реле на переменном токе. При протека- нии по обмотке реле переменного тока /р = Jmsinwt согласно (2.3) мгновенное значение F3 - k'i2 = sin2 cd t. Учитывая, что sin2wt = —(1 - cos2wt), получаем F,t = k% - kPmcos2ut. (2.9) где к = ” k'- Это выражение показывает, что электромагнитная сила (а следовательно, и M3t) электромагнитного реле переменного тока содержит две составляющие: постоянную W2 и пере- менную W^cos2wt, изменяющуюся с двойной частотой (f = = 100 Гп) тока (рис. 2.5). Электромагнитная сила F3t(M3t) имеет пульсирующий характер. В то же время противодей- ствующая сила пружины Fn имеет неизменное значение. В ре- зультате этого, при сработанном состоянии реле, якорь реле будет находиться под действием разности двух сил F3( - Fn, меняющей свой знак. В интервалы времени ab, cd, ef в течение каждого периода Т, когда Fn > F3 (рис. 2.5), якорь реле стремится отпасть и разомк- нуть контакты реле, а в интервале be, de, когда F3t > Fn, якорь вновь притягивается к электромагниту, стремясь замкнуть контакты. Вибрация якоря вызывает вибрацию контактов, оказывая вредное влияние на работу реле. Для устранения вибрации применяется расщепление маг- нитного потока Фр обмотки на две составляющие Ф} и Фц, сдвинутые по фазе. Расщепление потока Фр достигается при помощи короткозамкнутого витка К (рис. 2.6). Короткозамкнутый виток К охватывает часть сечения маг- нитопровода. Под влиянием магнитного потока Ф[ в витке К возникает ток 1К, создающий поток Фк. На рис. 2.6 показаны положительные направления магнитных потоков, а их вектор- ная диаграмма приведена на рис. 2.7. В магнитопроводе реле циркулируют два результирующих магнитных потока: Ф[ - выходящий из-под сечения магнито- провода, охваченного витком К; Фн - выходящий из-под сече- 43
Рис. 2.5. Изменение силы притяжения якоря F3 электромагнитного реле при прохождении по его обмотке переменного тока Рис. 2.6. Принцип устройства электромагнитного реле с короткозамкнутым витком ния S2, не охваченного витком: <?i = £Р1 + = фр2-фК2 (2.10) Векторная диаграмма (рис. 2.7) показывает, что магнитный поток Ф^ сдвинут относительно Фц на уголф- Каждый из магнитных потоков (рис. 2.8) Ф[ = Ф^ sin и Фц = Фцпзт(1Л + 4>) создает силы F3l и F3lI, кривые изменения Рис. 2.8. Изменение силы притяжения якоря Fpe3 электромагнитного реле с короткозамкнутым витком при прохождении по его обмотке переменного тока 44 Рис. 2.7. Векторная диаграмма магнитных потоков реле, показанного на рис. 2.6
Рис. 2.9. Схемы, облегчающие работу контактов реле которых смещены по фазе так же, как и магнитные потоки. В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизить- ся до нуля. Как будет показано в гл. 3, при насыщении магнитопрово- да ТТ вторичный ток имеет несинусоидальный характер, что вызывает вибрацию контактов. Контакты реле должны обеспечивать многократное надеж- ное замыкание и размыкание тока в управляемых ими цепях. Во время коммутационных операций происходит износ контак- тов, понижающий надежность их действия. Наиболее тяжелой операцией является размыкание цепи постоянного тока с индуктивным сопротивлением (например, цепи, питающей обмотку реле или электромагнита отключения выключателя). Известно, что в момент размыкания такой цепи в обмотке, обладающей индуктивностью L, возникает противодейству- ющая ЭДС самоиндукции Е^ = -L —, стремящаяся поддержать dt протекавший до этого ток (рис. 2.9). Под действием этой ЭДС в воздушном зазоре между размыкающимися контактами по- является электрическая дуга (искра), вызывающая обгорание, а при больших токах оплавление и эрозию (распыление метал- ла) контактов. Отключающая способность контактов зависит от значений тока, напряжения и индуктивности размыкаемой цепи. Она условно характеризуется мощностью SK, представляющей со- бой произведение номинального напряжения источника опе- ративного тока U0>T и наибольшего допустимого тока /к>д, размыкание которого не вызывает повреждение контактов: SK - иол1кл. Следует отметить, что для цепей переменного тока допустимый ток /к.п всегда больше, чем для цепи посто- 45
янного тока. Это объясняется тем, что при прохождении пе- ременного тока через нулевое значение электрическая дуга гаснет, а возможность ее повторного зажигания уменьшается благодаря увеличению зазора между размыкающимися контак- тами и снижению значения EL. Для облегчения работы кон- тактов можно применять шунтирование обмотки аппарата, находящегося в управляемой цепи, искрогасительным конту- ром RC или цепью из R и диода VD (рис. 2.9). В этом случае большая часть тока, вызываемого ЭДС Ет,, замыкается по шунтирующему контуру, в котором и погашается (расходует- ся) основная часть энергии, накопленной в магнитном поле об- мотки. В результате этого энергия, поддерживающая ток и электрическую дугу между контактами реле, уменьшается, что существенно облегчает работу контактов. Наличие искрогаси- тельного контура замедляет возврат реле. Этого недостатка лишена схема на рис. 2.9, б. Здесь диодом VD шунтируется кон- такт реле KL, размыкающий индуктивную цепь. При такой схе- ме ток i, обусловленный Е^, почти полностью замыкается, поми- мо размыкающихся контактов К, через контур и сопротивле- ние источника UOtT. В нормальных условиях, когда контакты реле разомкнуты, контур, шунтирующий контакты, разомкнут диодом VD. Электрическая дуга между подвижным и неподвижным кон- тактами возникает и при замыкании управляемой цепи. При замыкании подвижный контакт ударяется о неподвижный, что порождает вибрацию контактов, сопровождаемую много- кратным замыканием и размыканием управляемой цепи. При этом в момент разрыва появляется дуга, которая может вызвать оплавление и приваривание контактов при сильном их нагреве. Вибрация прекратится, когда кинетическая энер- гия подвижной системы реле израсходуется на преодоление сопротивления подвижных контактов и нагрев элементов замыкаемой цепи. Для предупреждения порчи контактов электрической ду- гой неподвижные контакты выполняются в виде упругих пла- стин, колеблющихся вместе с подвижными контактами без разрыва управляемой цепи. Применяются также демпферы (механические успокоители), поглощающие кинетическую энергию подвижной системы. Контакты выполняются из туго- плавкого и менее подверженного окислению материала. При- меняется серебро, металлокерамика и др. 46
2.3. КОНСТРУКЦИИ РЕЛЕ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПРИНЦИПЕ На электромагнитном принципе выполняются пусковые и измерительные реле переменного тока и напряжения и реле логической части (промежуточные, сигнальные, времени) на постоянном и переменном токе. Измерительные реле тока. При включении обмотки электро- магнитного реле на ток сети Ic = Im sin о t непосредственно или через ТТ ток в обмотке реле /р = 1С и согласно (2.4) Мэ = kl^. Такое реле называется измерительным реле, или органом то- ка, так как его поведение будет определяться током сети 1с, значение которого не зависит от сопротивления обмотки реле. К параметрам измерительного токового реле предъявляются следующие требования: для уменьшения нагрузки на ТТ по- требление мощности реле должно быть минимальным; коэф- фициент возврата кв должен приближаться к единице, что необходимо для повышения чувствительности РЗ; время дей- ствия реле tp должно быть возможно меньшим (порядка 0,02- 0,04 с) для обеспечения быстродействия; контакты реле долж- ны надежно замыкать управляемую цепь; обмотки реле долж- ны быть термически и динамически устойчивыми. Реле тока типа РТ-40, выпускаемое ЧЭАЗ, показано на рис. 2.10. На якоре 2 электромагнита 1 закреплен подвижный контакт 3 в виде мостика, замыкающего неподвижные кон- такты при срабатывании реле. Для гашения вибрации контакт- Рис. 2.10. Токовое электромагнитное реле типа РТ-40 47
В) r Рис. 2.11. Схема включения обмоток реле максимального и минимального на- пряжения через выпрямитель: а — схема включения обмотки; б — переменный ток на входе выпрямителя; е — выпрямленный ток в обмотке реле ной системы на якоре укреплен барабанчик, заполненный кварцевым песком. Ток срабатывания регулируется плавно противодействующей пружиной 4, а также последовательным и параллельным соединением обмоток (5а, 56) реле. Потреб- ление реле при минимальной уставке для реле разной чувстви- тельности составляет от 0,2 до 8 В • А; кв = 0,8 * 0,85; ip * 0,03 с при /р > 3/ср. Реле имеет девять исполнений с разными /ср от 0,05 до 200 А. Реле получило широкое применение, и вы- пуск его продолжается. Реле напряжения. Выпускаемые ЧЭАЗ реле напряжения переменного тока типов РН-53 и РН-54 выполнены конструк- тивно так же, как реле РТ-40. Для уменьшения вибрации об- мотка реле включается на напряжение Up через выпрямитель (рис. 2.11). Обмотка реле напряжения имеет большое активное сопротивление. Реле максимального напряжения типа РН-53 имеет къ не ниже 0,8, а реле минимального напряжения типа РН-54 - не выше 1,25. Уставки реле напряжения регулируются с помощью поводка, изменяющего натяжение противодействующей пру- жины, а также с помощью включения одного или двух допол- нительных резисторов в цепи обмотки реле, что изменяет пре- дел шкалы уставок в 2 раза. Требования в части потребляемой мощности, коэффициента возврата и работы контактов аналогичны требованиям, предъявляемым к токовым реле. 48
2.4. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РЕЛЕ (ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ) Назначение реле и требования к ним. Промежуточные реле применяются для выполнения логических операций как реле- повторители для одновременного замыкания или размыкания нескольких цепей, а также для замыкания и размыкания це- пей с большими токами. Примеры использования промежуточных реле в схемах РЗ приведены на рис. 2.12. По способу включения промежуточные реле подразделяются на реле параллельного (рис. 2.12, а) и последовательного (рис. 2.12,6) включения. Обмотки первых включаются на полное напряжение источника питания, а вторых - на ток цепи последовательно с катушкой электро- магнита отключения выключателя уАТ или какого-либо друго- го аппарата или реле. * Кроме того, выпускаются реле с дополнительными удер- живающими катушками, например реле параллельного вклю- чения с удерживающей обмоткой, включаемой последова- тельно в управляемую контактами реле цепь (рис. 2.12, в). Та- кое реле, подействовав от кратковременного импульса, подан- ного в параллельно включенную обмотку, остается в сработан- Рис. 2.12. Схема включения промежуточных реле 49
ном состоянии после его исчезновения пол действием тока удержания, пока не сработает управляемый аппарат. Мощность контактов должна быть достаточной для замыка- ния и размыкания цепей РЗ, а также для замыкания цепей управления выключателей. Потребление обмоток реле параллельного включения стре- мятся ограничить до 6 Вт с тем, чтобы их цепь могли замы- кать и размыкать реле с маломощными контактами. Потребление обмоток реле последовательного включения выбирается из условия минимального падения напряжения в сопротивлении обмотки этого реле, которое допускается не более 5-10% нормального напряжения источника оператив- ного тока. Промежуточные реле должны надежно действовать не толь- ко при нормальном напряжении, но и при возможном в усло- виях эксплуатации его понижении до 0,81/ном - реле постоян- ного тока и до 0,8517ном - реле переменного тока. Промежуточные реле, работающие без замедления, как пра- вило, выполняются в виде конструкций с поворотным якорем (клапанного типа). Устройство промежуточного реле типа РП-23 для схем РЗ на постоянном оперативном токе показано на рис. 2.13. Оно состоит из электромагнита 1 с обмоткой 2, яко- ря 3 с хвостовиком 4, неподвижных контактов 5, подвижной контактной системы 6, возвратной пружины 7, упора 8, регули- ровочной пластины 9. Все элементы реле крепятся на цоколе 10 и закрываются кожухом 11. При подаче напряжения на об- мотку реле якорь 3 втягивается и хвостовиком 4 перемещает вниз подвижную контактную систему, переключающую кон- такты реле. Аналогичное устройство имеет промежуточное реле типа РП-25, которое предназначено для работы на переменном опе- ративном токе. Для предотвращения вибрации подвижной системы это реле имеет короткозамкнутый виток на сердеч- нике электромагнита. Реле рассматриваемых типов имеют по пять контактов, ко- торые могут быть использованы в различных комбинациях. Время срабатывания этих реле составляет примерно 0,06 с. Реле постоянного тока изготовляются на напряжения 24, 48, 110 и 220 В, а переменного тока - на 100, 127 и 220 В. Потребляемая мощность при номинальном напряжении по- рядка 6 Вт у реле РП-23 и не более 10 В • А у реле РП-25. 50
Рис. 2.13. Промежуточное реле типа РП-23 Рис. 2.14. Устройство промежуточного реле типа РП-341: 1 — промежуточный насыщающийся трансформатор; 2 — выпрямители; 3 — шихтованный магнитопровод реле; 4 — обмотка реле; 5 — якорь реле; 6 — кон- денсатор для сглаживания выпрямленного тока; 7 — пластина, на которой укреплен контакт а; 8 — пластина, на которой укреплены контакты б и г; 9 - пластина, на которой укреплен контакт в; 10 — толкатель, упирающийся в пла- стину 9; 11- панель В последние годы ЧЭАЗ взамен упомянутых выше реле вы- пускает реле типов РП16-1 (для постоянного тока) и РП16-7 (для переменного тока), имеющие по четыре замыкающих и по два размыкающих контакта. Промежуточные двух- и трехобмоточные реле применяются, когда требуется действие реле от тока и удерживание от на- пряжения (типа РП-232, одна токовая рабочая обмотка) и дей- ствие от напряжения и удерживание от тока (типа РП-233, две токовые удерживающие обмотки). Взамен этих реле ЧЭАЗ выпускает многообмоточные реле типов РП-16-2 - РП16-4 и РП17-1 - РП17-5, отличающиеся нали- чием или отсутствием и числом удерживающих обмоток, а также числом замыкающих и размыкающих контактов. Для РЗ, работающих на переменном оперативном токе, про- мышленность выпускает промежуточные реле тока типов РП-321 и РП-341, предназначенные для включения их обмоток во вторичные цепи ТТ, с мощными контактами, рассчитанны- ми на переключение больших переменных токов (100-150 А). Устройство реле типа РП-341 показано на рис. 2.14. 51
Рис. 2.15. Принцип устройства промежуточного реле замедленного действия Рис. 2.16. Изменение магнитного потока Ф в обмотке промежуточного реле замедленного действия: 1 — результирующий поток при наличии короткозамкнутой обмотки; 2 — поток основной обмотки; 3 — поток короткозамкнутой обмотки; 4 — поток при отсутствии короткозамкнутой обмотки К числу быстродействующих реле, время действия которых составляет 0,01 с, относятся реле типов РП-210 - РП-215, кодо- вые реле КДР-1 и реле МКУ. Еще большее быстродействие обеспечивают реле с герметизированными контактами (герко- нами). Промежуточные реле постоянного тока замедленного дей- ствия. В схемах РЗ применяются промежуточные реле, замы- кающие свои контакты при срабатывании или размыкающие их при возврате с некоторым замедлением. Замедление срабатывания реле при притягивании якоря достигается замедлением нарастания тока /р в обмотке реле, а следователь- но, и создаваемого током /р магнитного потока Фр. Для этого на магнитопроводе 3 (рис. 2.15) устанавливается дополнитель- ный короткозамкнутый контур 2, выполняемый в виде медных шайб или медной цилиндрической гильзы, а в некоторых конструкциях в виде обмотки. При включении обмотки 1 на напряжение 17р магнитный по- ток Ф1 в магнитопроводе реле устанавливается не сразу. В мо- мент включения в обмотке 2 возникает ток / , создающий магнитный поток Ф2 , который противодействует нарастанию тока в обмотке 1. В результате этого скорость нарастания тока в обмотке реле уменьшается (рис. 2.16). 52
Рис. 2.17. Затухание магнитных потоков в магнитопроводе промежуточного реле замедленного действия при размыкании цепи его обмотки Рис. 2.18. Схемы замедления дей- ствия промежуточных реле: KL — обмотка промежуточного реле; К.1 — контакты в цепи обмотки промежуточного реле В эксплуатации распространены реле типа РП-251, замен* ление которых на срабатывание составляет 0,07-0,11 с. Замедленное отпадание якоря при возврате реле также по- лучается с помощью гильзы или короткозамкнутой обмотки 2 (рис. 2.15). В момент отключения тока в обмотке 1 магнитный поток Ф1 начинает затухать (рис. 2.17). При этом в обмотке 2 возни- кает ток, создающий магнитный поток Ф2, который противо- действует исчезновению потока Фх (Фр = Фх + Ф2). Ток 12, а вместе с ним потоки Ф2 и Фр постепенно затухают. Замедление с помощью контура RC. Замедление при размыкании цепи обмотки промежуточного реле может достигаться при помощи схем, состоящих из резистора R и конденсатора С, включенных как показано на рис. 2.18, а. Конденсатор С разряжается на обмотку KL при размыкании цепи его обмотки контактами К.1. Под действием тока раз- ряда возврат реле KL замедляется до момента, когда /разр снизится до /воз KL. Резистор R ограничивает ток через кон- денсатор в момент включения реле KL. В схеме на рис. 2.18, б действие реле замедляется как при замыкании, так и при размыкании цепи обмотки реле KL. В момент замыкания контактов К.1 происходит заряд конден- сатора С. В нем появляется ток 1с, создающий повышенное падение напряжения на сопротивлении R. Вследствие этого напряжение на зажимах обмотки реле KL уменьшается. По окончании заряда конденсатора прохождение тока 1с пре- кращается, и на обмотке KL устанавливается нормальное на- 53
Рис. 2.19. Конструкции герконов пряжение. При размыкании контактовК.1 конденсаторе разряжается на обмотку реле KL, удерживая реле в срабо- танном состоянии до тех пор, пока ток в обмотке не сни- зится до значения 1В03. Чем больше емкость С, тем боль- ше замедляется действие реле. Выпускаются промежуточные реле, замедленные на сраба- тывание до 0,25 с (РП18-1) и на возврат до 2 с (РП18-2 - РП18-5), в которых замедление обеспечивается с помощью специальных полупроводниковых схем, к выходу которых подключаются обмотки промежуточных реле. Реле с магнитоуправляемыми контактами. В промежуточ- ных реле с магнитоуправляемыми (герметизированными) контактами, сокращенно называемых герконами, контакт- ная система реле выполняет функции подвижного якоря, контактов, производящих коммутации в управляемой цепи, и противодействующей пружины. Обмотка 1 реле (рис. 2.19) не имеет стального магнитопровода. Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой, замыкается в основном по воздуху. Внутри обмотки - в ее магнитном поле - располагаются магни- тоуправляемые контакты 2, выполненные из ферромагнитно- го материала в виде гибких пластин, обладающих хорошей магнитной проницаемостью, электропроводностью и упру- гостью. Контакты заключены в герметический стеклянный корпус 3 и впаяны одним концом в его торцы. Вторые концы контакт- ных пружин выполняют функции контактов реле, они покрыты серебром или другими материалами, применяемыми в контакт- ных системах. Нормально контакты 2 разомкнуты. Если в об- мотку реле подается ток 1р, то под действием МДС воз- никает магнитный поток Ф. Ферромагнитные контакты на- магничиваются и под действием электромагнитных сил F3 = = кФ2 = к'12 притягиваются друг к другу, замыкая управляемую ими цепь. При исчезновении тока контакты размыкаются под 54
действием механической силы, обусловленной упругостью контактных пластин. Для уменьшения искрообразования при замыкании и размыкании контактов стеклянный корпус ва- куумируется или заполняется инертным газом. Герконы имеют ряд положительных свойств: благодаря ма- лой массе подвижной системы и силы сопротивления упругих контактов пластин потребляемая ими мощность при срабаты- вании мала (Sp % 0,15 * 0,3 Вт); большое быстродействие (tp = = 0,001 с); герметизация контактов с полной изоляцией их от вредного воздействия окружающей воздушной среды и прак- тическое отсутствие искрообразования существенно уменьша- ют износ и обеспечивают малое переходное сопротивление контактов, что повышает надежность их работы; малые разме- ры; отсутствие осей и подпятников, что также повышает на- дежность действия реле. В РЗ применяются герконы типов РПГ-2 и РПГ-5: реле РПГ-2 имеет замыкающий контакт для коммутации цепей напря- жением до 24 В и током до 0,15 А; реле РПГ-5 - один или два замыкающих контакта, которые могут коммутировать цепи напряжением 220 В и током 0,03 А. 2.5. УКАЗАТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ Указательные реле служат для фиксации действия РЗ в целом или ее структурных частей (элементов). На рис. 2.20 показано указательное реле типа РУ-21, сигнализирующее действие РЗ на отключение выключателя. При срабатывании РЗ по обмотке реле 3 проходит ток, приводящий реле в дей- ствие. Рис. 2.20. Конструкция указатель- ного реле типа РУ-21: 1 - цоколь; 2 — кожух; 3 — ка- тушка; 4 — сердечник; 5 — якорь; 6 — контактный мостик; 7 — кон- тактные пластины; 8 — возвратная пружина; 5 —флажок; 10 — кнопка возврата; И— скоба 55
HM SQ УЛ Т а: Рис. 2.21. Схемы включения ука- зательных реле Ввиду кратковременности прохождения тока в обмотке указательных реле они выполняются так, что сигнальный флажок и контакты реле остаются в сработанном состоянии до тех пор, пока их не возвратит на место обслуживающий пер- сонал. Указанные реле изготовляются для последовательного (рис. 2.21, а) и параллельного (рис. 2.21, б) включения. При появлении тока в обмотке 3 (рис. 2.20) якорь реле 5 при- тягивается и освобождает флажок 9. Последний падает под действием собственной массы, принимая вертикальное поло- жение. В этом положении флажок виден через прозрачный кожух 2. Возврат флажка в начальное положение производит- ся кнопкой 10. Выпускаются также сигнальные реле типа ЭС, выполняющие те же функции. 2.6. РЕЛЕ ВРЕМЕНИ Назначение и основные требования. Реле времени служит для искусственного замедления действия устройств РЗ и электроавтоматики. На схеме рис. 2.22 показано применение реле времени в РЗ. При замыкании контактов токового реле КА.1 плюс источника оперативного тока подводится к обмотке реле времени КТ, которое через определенный интервал вре- мени замыкает контакты КТ.1 в цепи катушки отключения YAT, производя отключение выключателя. Время, проходящее с момента подачи напряжения на обмотку реле времени до замыкания его контактов, называется выдержкой времени реле. Основным требованием, предъявляемым к реле времени, применяемым в схемах РЗ, является точность. Погрешность во времени действия реле со шкалой до 3,5 с не должна превы- шать ± 0,06 с, а при больших выдержках времени, устанавлива- емых на реле со шкалой 20-30 с, ± 0,25 с. Реле времени на постоянном токе должно надежно сраба- тывать начиная с 80% номинального напряжения, а на пере- менном - с 85%. Выдержка времени не должна зависеть от 56
Рис. 2.22. Схема включения реле времени Рис. 2.23. Конструкция реле времени возможных в эксплуатации колебаний оперативного напря- жения. Потребление обмотки электромагнитных реле време- ни составляет 20-30 Вт. Конструкция реле времени с часовым механизмом. Прин- цип устройства реле времени может быть пояснен на примере конструкции, изображенной на рис. 2.23. При появлении тока в обмотке 1 якорь 2 мгновенно втяги- вается, освобождая рычаг 4 с зубчатым сегментом 5. Под дей- ствием ведущей пружины 6 рычаг 4 приходит в движение, ко- торое, однако, не является свободным, так как оно замедляет- ся специальным устройством выдержки времени 7. Через не- которое время tp, зависящее от расстояния I (или угла а) и скорости движения юр рычага 4, последний переместится на угол а и замкнет контакты реле 8. Таким образом, реле срабо- тает с выдержкой времени tp = а/ор. Устройство выдержки времени осуществляется с помощью часового механизма, основным элементом которого является анкерное устройство. При исчезновении тока в реле якорь и рычаг 4 должны мгновенно возвратиться в начальное положение под действи- ем возвратной пружины 3. Это обеспечивается с помощью хра- пового механизма или фрикционного устройства, обладающих свободным расцеплением при обратном ходе сегмента 5. Регулирование выдержки времени осуществляется изменени- ем угла а. путем перемещения контактов реле 8. В некоторых конструкциях предусматривается мгновенный контакт 9, позволяющий замыкать цепь с малой, нерегулируемой выдерж- кой времени (0,15-0,2 с). Катушка реле времени не рассчиты- вается на длительное прохождение тока. Поэтому реле, пред- назначаемые для длительного включения под напряжение, выполняются с добавочным сопротивлением R-, включаемым 57
Рис. 2.24. Термически устойчивое реле времени последовательно с обмоткой реле, как показано на рис. 2.24. Нормально сопротивление Rn зашунтировано размыкающимся мгновенным контактом реле КТ.1. После срабатывания реле этот контакт размыкается, и сопротивление вводится в цепь обмотки реле, ограничивая проходящий в ней ток до значе- ния, допустимого по условиям нагрева и достаточного для удержания реле в сработанном состоянии. Отечественные заводы выпускают реле времени постоян- ного тока типов РВ-110, РВ-120, РВ-130, РВ-140 и переменного тока РВ-210, РВ-220, РВ-230. На базе электронных схем ЧЭАЗ выпускает реле времени типов РВ-01 и РВ-03 (см. ниже). 2.7. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ РЕЛЕ Поляризованные реле являются разновидностью электро- магнитных конструкций. Якорь поляризованного реле нахо- дится под воздействием двух магнитных потоков, из которых один создается током, питающим обмотку реле, - рабо- чий, а второй - постоянным магнитом — поляризу- ющий. Поляризованные реле выполняются в двух вариантах: с дифференциальной магнитной системой и с мостовой. Обе конструкции состоят из сердечника 1, обмотки 2, посто- янного магнита 3, якоря 4 и контактной системы 5 (рис. 2.25). В дифференциальной системе (рис. 2.25, а) поляризующий магнитный поток Фп выходит из полюса N и разветвляется на две части Фпа и Фпб- Обмотка 2, обтекаемая током 1р, создает рабочий поток Фр. Для простоты рассмотрения часть магнитного потока, ответ- вляющаяся через якорь, не учитывается. В воздушном зазоре 5а магнитные потоки Фп и Фр суммируются, а в 6б вычитаются, образуя результирующие магнитные потоки: Фа = $па + Фр И Ф6 = Фп6-Фр. (2.11) 58
Рис. 2.25. Принцип устройства поляризованных реле: а - с дифференциальной магнитной системой; б - с мостовой магнитной системой; в — нейтральная регулировка контактов Под действием Фа якорь притягивается к левому полюсу а с силой Fa « КФа. Силе Fa противодействует сила F6 = стремящаяся притянуть якорь к правому полюсу б. При определенном токе 7р < 7ср Фа становится больше Фб; Fa > F&, и якорь отклоняется влево к полюсу а, замыкая кон- такты 5. При изменении направления тока 1р поток Фа также меняет свое направление, вследствие чего в зазоре ба возникает раз- ность магнитных потоков, а в зазоре б6 их сумма. Тогда при /р > 1с%р поток Фб > Фа, Fq > Fa, и якорь отклоняется вправо. Таким образом, благодаря наличию поляризующего потока реле реагирует не только на значение тока, но и на его направ- ление. Поляризованные реле непригодны для работы на перемен- ном токе. Поляризованные реле обладают важными преиму- ществами: высокой чувствительностью и малым потреблением, достигающим при минимальном токе срабатывания и зазоре между контактами 0,5 мм 0,005 Вт; высокой кратностью тока термической стойкости (20-50)/срггпп, у обычных электромаг- нитных реле термическая кратность не превышает l,5/cpmin; быстротой действия 0,005 с. Недостатками поляризованных реле являются: малая мощ- ность контактов; небольшой зазор между ними 0,1-0,5 мм; невысокий коэффициент возврата. 59
2.8. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ Принципы действия и выполнения индукционных систем. Работа индукционных реле основана на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной системе реле. Основными элементами реле являются два электромагнита 1 и 2 и подвижная система 3, расположенная в магнитном поле электромагнитов (рис. 2.26). Подвижная система выполняется из немагнитного электропро- водящего материала в виде медного или алюминиевого дис- ка, либо полого цилиндра (барабанчика), закрепленного на вращающейся оси 4. С осью 4 жестко связан подвижный кон- такт реле 5, замыкающий при повороте неподвижные контак- ты 6. Движению диска в сторону замыкания контактов проти- водействует спиральная пружина 7. Обмотки электромагнитов 1 и 2 питаются переменными (си- нусоидальными) токами Д и / , которые создают переменные магнитные потоки Фх и Ф2. Положительное направление то- ков и соответствующее им положительное направление пото- ков, определяемое по правилу буравчика, показаны на рис. 2.26. Векторная диаграмма их изображена на рйс. 2.27. Пренебрегая Рис. 2.26. Принцип устройства индук- ционного реле Рис. 2.27. Векторная диаграмма ЭДС, токов и магнитных потоков индукци- онного реле 60
потерями на намагничивание, потоки Фх и Ф2 показаны на диаграмме совпадающими с токами и 12. Магнитный поток Фп пронизывая подвижную систему 3, наводит в диске ЭДС d<f>t ЕД1 = ———, поток Ф2 - ЭДС Ец2 --------. Наведенные ЭДС отстают по фазе на 90° от вызывающих их магнитных потоков. Под действием ЭДС ЕД1 и Ед2 в подвижной системе возникают вихревые токи 1Д1 и 1п2, замыкающиеся вокруг оси индукти- рующего их магнитного потока. Положительные направления /Д1 и 1д2, определенные по правилу буравчика по положитель- ному направлению потоков Фх и Ф2, показаны на рис. 2.27. Вследствие малой индуктивности контура вихревых токов их векторы /Д1 и 1п2 принимаются совпадающими по фазе с выз- вавшими их ЭДС (Ед1 и Ед2). В рассматриваемой конструкции возникают две силы: F31 = = /с1Ф1/д2 - обусловленная взаимодействием магнитного по- тока Фх и тока /д2, наведенного другим потоком Ф2, и F32 = = ка^а^ди вызванная воздействием потока Ф2 на ток 1Д1, наведенный потоком Фх. Силы взаимодействия потока Фх со ’’своим” током 1дХ и Ф2 с вихревым током 1д2 равны нулю. Направление сил F31 и F32 и создаваемые ими моменты вра- щения МЭ1 и Мз2 определяются их средними значениями за период, которые зависят от угла сдвига фаз между взаимодей- ствующими потоками и токами в диске. Силы F3X и F32 опреде- ляются по правилу ’’левой руки” и показаны на рис. 2.26. Ре- зультирующая электромагнитная сила F3 = F31 + F32. Резуль- тирующий электромагнитный момент Мэ = F3d, где d - плечо силы F3 относительно оси вращения. Момент Мэ приводит в движение подвижную систему 3, которая в зависимости от зна- ка (направления) М3 действует в сторону замыкания или раз- мыкания контактов реле 5. Электромагнитная сила F3 и ее момент Мэ. Значение резуль- тирующей электромагнитной силы F3 выражается через магнит- ные потоки Фх и Ф2, создаваемые токами, питающими обмотки электромагнитов реле, угол сдвига фаз между ними ф и частоту входных токов f: F3 = /с'/Ф1Ф251пф. (2.12) Соответственно электромагнитный момент M3=F3d = к"/Ф1Ф251г\^ = /сФ1Ф2з1пф, (2.13) 61
где Фх и Ф2 - действующие значения магнитных потоков; к, к', к" - постоянные величины. Анализируя выражение (2.13), можно сделать следующие выводы: 1) результирующий момент пропорционален действующим (или амплитудным) значениям магнитных потоков и зависит от сдвига фаз Ф между токами, подведенными к реле. Это означает, что индукционные реле могут служить для сравне- ния фаз входных токов. Реле имеет максимальный момент при ф = 90° и не действует при ф = 0; 2) знак момента зависит от зтф. Результирующая сила F3 направлена от оси опережающего к оси отстающего магнит- ного потока; 3) конструкция реле должна обеспечить создание не менее двух переменных магнитных потоков (Фх и Ф2), пронизывающих подвижную систему в разных точках и сдвинутых по фазе на угол ф =# 0; 4) поскольку действующие значения магнитных потоков Фг и Ф2 являются постоянными величинами, то мгновенное значение моментов индукционных реле в отличие от электро- магнитных не изменяется во времени. Поэтому у индукцион- ных реле отсутствует вибрация контактов, если токи и напря- жения, создающие соответствующие потоки, синусоидальны; 5) на индукционном принципе могут выполняться только реле переменного тока: реле тока, направления мощности, сопротивления и др. 2.9. РЕЛЕ ТОКА НА ИНДУКЦИОННОМ ПРИНЦИПЕ Реле с короткозамкнутыми витками (экранами). Реле, реагирующее на один синусоидальный ток, выполняется (рис. 2.28) с помощью электромагнита 1, охватывающего своими полюсами диск 2 с контактом 4. Для получения двух магнит- ных потоков, сдвинутых по фазе в пространстве, на верхнем и нижнем полюсах электромагнита насажены короткозамкнутые медные витки 3, охватывающие часть (около половины) сече- ния полюсов. Ток в обмотке реле 1р и индуктированный в ко- роткозамкнутых витках ток 1К создают магнитные потоки Фр и Фк (рис. 2.28). Из-под сечения полюса I, охваченного коротко- замкнутым витком, выходит результирующий магнитный поток Ф1 = Фр1 + ФК1, из-под сечения II - Ф2 = Фр2-ФК2- Оба 62
Рис. 2.28. Принцип устройства индукционного реле тока или напряжения с ко- роткозамкнутыми витками: а, б — принцип устройства; е — векторная диаграмма магнитных потока пронизывают диск в двух разных точках, индуцируя в нем вихревые токи 1а1 и 1Я2. Векторная диаграмма потоков показана на рис. 2.28, в. Взаимодействие магнитных потоков Фх и Ф2 с индуцированными в диске токами создает электромагнитную силу F3 и действующий на диск момент: Мэ = F3d = кФ^зтф. (2.14) Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току /р и угол ф при изменении тока /р остается неизменным, вы- ражение (2.14) можно представить в виде Мэ = k'lj. (2.15) Время действия индукционных реле. Конструкция индук- ционных реле позволяет выполнять их с выдержкой времени без применения специальных часовых механизмов. Время действия индукционного реле зависит от угла а, на который должен повернуться диск для замыкания контактов К реле, и угловой скорости движения диска реле й)р (рис. 2.29, а). Если ДОПУСТИТЬ, ЧТО СКОРОСТЬ ПОСТОЯННаЯ, TO tp = (X/GJp. Движение диска происходит под влиянием избыточного момента Мвр = Мэ - Мс, представляющего собой разность электромагнитного момента и противодействующего ему мо- мента сопротивления Мс. Составляющие момента сопротив- ления Мс показаны на рис. 2.29, а. Момент вращения преодоле- 63
вает момент инерции подвижной системы J-------, сообщая ей dt ускорение dtt/dt: = (2-1Sa) Время действия индукционного реле является функцией тока: с увеличением тока времени tp уменьшается. Такая ха- рактеристика времени действия реле называется зави- симой и изображена кривой 1 на рис. 2.29,6. Часто применя- ются токовые реле с ограниченно зависимой характеристикой выдержки времени, имеющей вид кривой 2 на рис. 2.29, б. На- чиная с некоторого значения тока в реле время действия реле остается неизменным, т. е. не зависящим от тока. Эта часть характеристики называется независимой. Чтобы повысить выдержку времени индукционных реле, устанавливается постоянный магнит М, охватывающий сво- ими полюсами диск (рис. 2.29, а). При вращении диск пересе- кает силовые линии магнитного потока Фм постоянного маг- нита, в результате этого в нем наводятся вихревые токи, на- зываемые токами ’’резания”. От их взаимодействия с магнит- ным потоком Фм возникает момент Мм = (2-16) противодействующий движению диска. Момент Мм уменьши- Рис. 2.29. Моменты, действующие на диск индукционного реле при его вра- щении (а), и характеристика реле t = f(Jp) (б): Мп — момент пружины; Л/т - момент трения; Мм — момент от токов ’’реза- ния”, наведенных потоком Фм постоянного магнита; Л/т э - момент от токов "резания”, наведенных потоками Фх и Ф2 64
ет избыточный момент, за счет чего уменьшается скорость Ор и возрастает выдержка времени Гр. Время действия индукционных реле регулируется измене- нием расстояния между подвижным и неподвижным контак- тами К. Индукционные реле мгновенного действия выполняются без постоянных магнитов и с минимальным ходом подвижной системы. Кроме того, для повышения быстродействия реле при- нимаются меры к увеличению скорости движения подвижной системы. Поэтому вместо систем с диском, имеющих большой момент инерции за счет значительного диаметра, использу- ются системы с цилиндрическим ротором, который имеет ма- лый диаметр и момент инерции. Реле с цилиндрическим ро- тором могут действовать с временем около 0,02-0,04 с, а ми- нимальное время действия реле с диском примерно 0,1 с. Инерционный выбег. Вращающийся диск индукционного реле после прекращения действия электромагнитной силы продолжает свое движение по инерции за счет накопленной кинетической энергии. Инерционный выбег диска может при- вести к замыканию по инерции контактов реле после отклю- чения КЗ в сети. Поэтому во избежание ложного действия РЗ с такими реле ступень селективности при выборе выдерж- ки времени увеличивается на величину инерционной ошибки. 2.10. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ ТОКА СЕРИЙ РТ-80 И РТ-90 Отечественная промышленность выпускает токовые реле серий РТ-80 и РТ-90 (рис. 2.30). Реле состоит из двух элементов: индукционного с ограниченно зависимой характеристикой времени действия и электромагнитного, действующего мгно- венно и называемого отсечкой. Совместная работа обоих элементов позволяет получить характеристику выдержки времени, показанную на рис. 2.31. При токах больше тока сра- батывания электромагнитного элемента /э с р реле работает без выдержки времени, отсекая характеристику индукцион- ного элемента. При токах, меньших 23>ср, работает индукцион- ный элемент реле с ограниченно зависимой выдержкой вре- мени. Индукционный элемент реле выполняется на элект- ромагнитной системе, рассмотренной в § 2.9. Элемент имеет электромагнит 1 с короткозамкнутыми витками 2 (рис. 2.30, а) 65
”8 Рис. 2.30. Токовое реле типа РТ-80: а — конструкция реле; б - силы, действующие на диск подвижной рамки Рис. 2.31. Характеристика реле типа РТ-81 66
и подвижный диск 3. При появлении тока в обмотке 19 возни- кает электромагнитная сила, действующая на диск 3, кото- рый вращается на оси в подшипниках, установленных на по- движной рамке 4. Рамка 4 имеет ось вращения 18, укреплен- ную на корпусе реле. Пружина 5 притягивает рамку к упору 17. На оси диска насажен червяк 7, вращающийся вместе с осью и диском. Червяк 7 и зубчатый сегмент 8, управляющий работой контактов реле 12, нормально расцеплены. Для дей- ствия реле необходимо, чтобы червяк сцепился с зубчатым сегментом и поднял его до замыкания контактов реле. На по- движную систему (рамку и диск) действует электромагнитная сила F3, стремящаяся переместить рамку, и противодейству- ющие ей силы: сила пружины 5, прижимающая рамку 4 к упо- ру 17, а при движении диска дополнительные силы, обуслов- ленные взаимодействием магнитного потока постоянного магнита 6 и потоками Фг и Ф2 электромагнита 1. Действие этих сил показано на рис. 2.30,6. Диск начинает вращаться при I = (0,2 - 0,3)/ср, когда момент силы F3 становится больше мо- мента трения и инерции диска. Срабатывание индукционного элемента реле происходит при Ip > / . При этом рамка 4 пере- мещается, сцепляя червяк 7 с зубчаткой сегмента 8. После этого движение рамки прекращается, но диск продолжает вра- щаться и посредством червяка 7 поднимает сегмент 8. Рычаг сегмента 8 поднимает коромысло 9, замыкая при этом контак- ты реле 12. Вследствие уменьшения зазора якорь 10 притяги- вается к электромагниту 1, обеспечивая плотное замыкание контактов 12. При токе в реле, меньшем тока возврата, момент пружины 5 преодолевает Мэ, и рамка возвращается в началь- ное положение, расцепляя червяк с сегментом. Сегмент па- дает на упор 20, размыкая контакты реле. Для обеспечения надежного сцепления рамки с сегментом служит стальная скоба 11, которая притягивается к электромагниту 1 под дей- ствием силы F', возникающей под влиянием потока рассея- ния электромагнита (рис. 2.30, б). Ток срабатывания регулируется изменением числа витков обмотки реле 19 при помощи штепселя 14, переставляемого в гнездах планки 15. Время действия реле регулируется изме- нением начального положения сегмента 8 винтом 13. Электромагнитный элемент (отсечка) имеет якорь в виде стального коромысла, находящегося в поле потока рассеяния электромагнита 1. При токе /р > (4 - 8)/с-р индукционного эле- 67
мента правая часть коромысла под действием силы F3 притя- гивается к электромагниту и мгновенно замыкает контакт реле 12. Ток срабатывания элемента регулируется винтом 16, меняющим воздушные зазоры между коромыслом и электро- магнитом. Для устранения вибрации якоря при срабатывании элемента установлен короткозамкнутый виток. Реле РТ-80 имеет 12 исполнений, различающихся уставками по току и времени, реле РТ-85 и РТ-86 имеют усиленные контакты, рас- считанные на переключение тока до 150 А в цепях перемен- ного тока. Реле РТ-90 имеет аналогичную конструкцию, но не- зависимая часть характеристики у его реле начинается при меньших кратностях тока /р, чем у реле РТ-80. 2.11. ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Назначение и требования к реле. Реле направления мощ- ности (РНМ) реагируют на значение и знак мощности S, подве- денной к их зажимам. Они используются в схемах как орган, определяющий по направлению (знаку) мощности (протека- ющей по защищенной ЛЭП);. где произошло повреждение - на защищаемой ЛЭП или на других присоединениях, отходя- щих от шин подстанции (рис. 2.32, а). В первом случае при КЗ в К1 мощность КЗ SK1 направлена от шин в ЛЭП, и РНМ должно срабатывать и замыкать свои контакты, во втором - при КЗ в К2 - мощность КЗ SK2 направлена к шинам, в этом случае ре- ле не должно замыкать контакты. Реле мощности имеет две обмотки: одна питается напря- жением L/р, а другая - током сети /р (рис. 2.32, 6). Взаимодей- ствие токов, проходящих по обмоткам, создает электромагнит- б) Рис. 2.32. Реле направления мощности: а — принцип действия; б — схема включения 68
6) Рис. 2.33. Реле мощности: о - с цилиндрическим ротором; б — ротор реле и направление положитель- ного момента Мэ ный момент, значение и знак которого зависят от напряжения Up, тока 1р и угла сдвига фр между ними. Чувствительность РНМ оценивается минимальной мощ- ностью, при которой реле замыкает свои контакты. Эта мощ- ность называется мощностью срабатывания и обозна- чается Scp. Реле направления мощности выполняются мгновенными. Время срабатывания РНМ должно быть минимальным. Конструкция и принципы действия индукционных реле мощности. Индукционные реле мощности выполняются с по- движной системой в виде цилиндрического ротора (рис. 2.33, а). Реле имеет замкнутый четырехполюсный магнитопровод 1 с выступающими внутрь полюсами. Между полюсами установлен стальной цилиндр (сердечник) 2, повышающий магнитную проницаемость междуполюсного пространства. Алюминиевый цилиндр (ротор) 3 может поворачиваться в зазоре между сталь- ным сердечником и полюсами. При повороте ротора 3 проис- ходит замыкание контактов реле 6. Для возврата ротора и контактов в исходное положение предусматривается противодействующая пружина 7(рис.2.33,6). Обмотка 4 питается напряжением Up = Uz/Ky, а обмотка 5 - током Ip = Iz/Kj, где Uc и 1С - напряжение и ток сети (защи- щаемого элемента). Ток IK = Up/ZH в обмотке 4 создает магнит- ный поток Фн (поляризующий). Ток /р, проходящий по обмотке 5, создает магнитный поток Фт (рабочий). На рис. 2.34 изображена векторная диаграмма магнитных потоков Фн и Фт. За исходный для ее построения принимается 69
вектор напряжения С/ . Ток 1Н сдвинут по фазе относительно напряжения ур на угол а, а ток /р - на угол фр. Угол а определяется индуктивном и активным сопротив- лением обмотки 4, питаемой напряжением, и называется углом внутреннего сдвига реле. Угол фр зависит от параметров сети и фаз подведенных к реле ус и /с. Магнитные потоки Фн и Фт изображены на диаграмме со- впадающими с создающими их токами /н и 1р. Из векторной диаграммы следует, что потоки Фн и Фт, а также токи 1Н и!р сдвинуты по фазе на угол ф = а - <рр, элект- ромагнитный момент Мэ согласно формуле (2.13): Мэ = КФнФт51пф; (2.17) выражая Фн и Фт через создающие их токи, получим Мэ = k^plpSinfct-tPp) = (2.18) где Sp = Uplpsin(a - фр) - мощность, подведенная к реле. Анализируя выражение (2.18), можно сделать следующие выводы: электромагнитный момент pejie пропорционален мощности на его зажимах; знак электромагнитного момента реле определяется знаком sin(a - фр) и зависит от значения фр и угла внутреннего сдвига а. Это иллюстрируется рис. 2.34, где зона отрицательных моментов заштрихована. Незаштрихован- ная часть диаграммы соответствует области положительных мо- ментов, где Фт опережает Фн, а фр и его синус имеют положи- тельный знак. Линия АВ, проходящая через углы a - i₽p = 0 и 180°, называется линией изменения знака мо- мента. Она всегда расположена под углом а к вектору (Jp, т. е. совпадает с направлением векторов и Фн. Линия CD (перпендикулярная АВ) называется линией максимальных моментов. Момент Мэ достигает мак- симума при a - фр = 90°, т. е. когда 1р опережает 1Н на 90°. Угол Фр, при котором Мэ достигает максимального значения, назы- вается углом максимальной чувствительности, значение которого зависит от угла а, который определяется отношением Х/R в цепи напряжения. Реле не действует, если отсутствует напряжение или ток в реле или если sin(а - фр) = 0. Последнее условие имеет место при фр = а и фр = а + 180°. Таким образом, выражение (2.18) и рис. 2.34 показывают, что рассмотренная конструкция есть реле, реагирующее на знак 70
'A Линия максимального момента M3 M3-Ip stn(a-i/p)^ в Г1 Линия изме- нения знака \момента М3 Рис. 2.34. Векторная диаграмма реле мощности Рис. 2.35. Характеристики чувствительности реле мощности: 1 —теоретическая; 2 —действительная мощности Sp или, иными словами, - на угол сдвига фр между напряжением Up и током /р. Основные характеристики реле мощности. Мощность сраба- тывания. Наименьшая мощность на зажимах реле, при кото- рой оно срабатывает, называется мощностью срабаты- вания Scp. Зависимость мощности срабатывания от тока /р и угла ф принято оценивать характеристикой чувствительности и уг- ловой характеристикой. Характеристика чувствительности представляет собой за- висимость Ц.р = /(1р) при неизменном фр (рис. 2.35), где Ucp - наименьшее напряжение, необходимое для действия реле (при данных значениях 1р и ф ). Обычно характеристика сни- мается при фр, равном углу максимальной чувствительности, т. е. для случая, когда sin(a -фр) = 1. Угловая характеристика представляет собой зависимость U = /(/р) при неизменном значении /р. На рис. 2.36 показана характеристика для реле смешанного типа с а = •+ 45°. Угловая характеристика (рис. 2.36, а) позволяет определить изменение чувствительности реле (характеризуемое величиной Ucp) при разных значениях угла фр; минимальное значение Ucpmin и наиболее выгодную зону углов фр, в пределах которой U близко к Ucpmtn; при каких углах фр меняется знак электро- магнитного момента и пределы углов фр, которым соответству- ют положительные и отрицательные моменты (рис. 2.36, б). Полярность обмоток. Знак электромагнитного момента реле зависит от относительного направления токов /р и /н в 71
Рис. 2.36. Угловая характеристика реле мощности смешанного типа при а = 45° его обмотках. Условились изготовлять РНМ так, что при оди- наковом направлении токов в обмотках напряжения и тока реле замыкает свои контакты (см. рис. 2.32). Одинаковым на- зывается направление тока в обеих обмотках от начала к кон- цу обмотки или наоборот. Заводы, изготовляющие реле, указы- вают однополярные зажимы обмоток, отмечая их условным знаком. На рис. 2.32 начало обмоток отмечено точками. Реле подключается к ТТ и TH с учетом полярности обмоток так, чтобы при КЗ в зоне РЗ реле замыкало свои контакты. Явление самохода. Самоходом называют срабатывание РНМ при прохождении тока только в одной его обмотке - токовой или напряжения. Реле, имеющее самоход от тока, может не- правильно сработать при обратном направлении мощности, когда повреждение возникает в непосредственной близости от реле в зоне его недействия, в результате чего напряжение на его зажимах будет равно нулю. Причиной самохода обычно является несимметрия магнит- ных систем реле относительно цилиндрического ротора. Для устранения самохода на стальном сердечнике 2 (рис. 2.33, а) предусмотрен срез; изменяя положения сердечника, можно компенсировать неравномерность потоков в воздушном зазоре. Индукционные реле мощности типа РБМ. Отечественной электропромышленностью выпускались быстродействующие реле направления мощности РБМ промежуточного типа, кон- 72
структивное выполнение которых соответствует показанному на рис. 2.32, а. Момент реле выражается уравнением Мэ = k(7p/pSin(a - (рр) = /c(7p/pcos(tpp + ₽) = = k£7pJpCOs(<Pp + (рм.ч), где ₽ = 90 - a. Имеются два основных варианта исполнения реле: РБМ-171 и РБМ-271, используемые обычно для включения на фазный ток и междуфазное напряжение. Угол максимальной чувстви- тельности у этих реле может изменяться и имеет два значе- ния: |рм.ч = -45° и Фм.ч = -30°. РБМ-178, РБМ-278 и РБМ-177, РБМ-277 включаются на ток и напряжение нулевой последовательности (НП); их угол мак- симальной чувствительности (рмч = +70°. У реле РБМ-178 и РБМ-278 Sc.p = 0,2 - 4 В- А, у реле РБМ-177 и РБМ-277 Scp = = 0,6-ЗВ-А. Реле РБМ-271. РБМ-277, РБМ-278 - двустороннего действия, имеют два замыкающих контакта, действующих при соответ- ствующем знаке момента. Индукционные РНМ заводом не изготовляются. Однако в эксплуатации находится большое количество таких реле. Освоен промышленный выпуск РНМ типов РМ-11 (с угловой характеристикой, аналогичной РБМ-171) и РМ-12 (с угловой ха- рактеристикой, аналогичной РБМ-178). Напряжение срабаты- вания реле РМ-11 не более 0,25 В, а реле РМ-12 регулируется ступенями 1, 2 и 3 В. Устройство этих реле рассмотрено в § 2.19. 2.12. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ Магнитоэлектрическое реле (рис. 2.37) состоит из постоян- ного магнита 1, подвижной рамки 2, на которую намотана об- мотка 3, питающаяся током /р, и контактов 4. Принцип рабо- ты магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии тока /р в обмотке рамки с магнитным потоком постоянного магнита. Сила, действующая на обмотку рамки: F3 = kBM/p/Wp, (2.19) где Вм - индукция магнитного поля постоянного магнита; 4 - ток в обмотке рамки; / - активная длина витка обмотки; wp - число витков обмотки рамки. 73
.1 Рис. 2.37. Магнитоэлектрическое реле Вращающий момент, образованный силами F3, M3=F3d = k'BMIp, (2.19а) где d - плечо пары сил F3; к' = кВм1р. Угол поворота рамки принимается небольшим (5- 10°), а форма полюсов магнита подбирается таким образом, чтобы магнитное поле было равно- мерным. При этом магнитная индук- ция Вм постоянна и момент Мэ про- порционален току 1р: Мэ = к"1р. Знак Мэ и F3 зависит от направления 1р в подвижной рамке реле. При показанном на рис. 2.37 направлении 1р направление F3 определено по правилу ’’левой руки”. Таким образом, магнитоэлектрические реле реагируют на направление тока и поэтому, так же как и поляризованные реле, не могут работать на переменном токе. Магнитоэлектри- ческие реле имеют высокую чувствительность и малое потреб- ление. Мощность срабатывания достигает 10’® - 10"10 Вт и пре- восходит чувствительность поляризованных реле, что объяс- няется наличием сильного поля постоянного магнита 1 и ма- лым противодействующим моментом подвижной системы. Магнитоэлектрические реле имеют контактную систему с малой отключающей способностью. Зазор между контактами мал - около 0,3 - 0,5 мм. Магнитоэлектрические реле отличают- ся плохим возвратом. Надежный возврат этих реле обеспечи- вается подачей в обмотку реле тормозного тока, действующе- го на размыкание контактов. Время действия реле равно 0,01 - 0,02 с. Магнитоэлектрические реле применялись в ка- честве высокочувствительных нуль-индикаторов в схемах на выпрямленном токе и еще находятся в эксплуатации. В на- стоящее время вместо них применяют электронные реле, рас- сматриваемые ниже. 74
2.13. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ Обобщенная функциональная схема. На рис. 2.38 изображе- на функциональная схема, характерная для различных видов полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных ча- стей, как и общая структурная схема на рис. 2.1, но, с учетом особенностей элементной базы, она дополнена блоком - ис- точником питания, необходимым для обеспечения действия полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматрива- ются особенности функции каждой структурной части при вы- полнении ИО на ИМС и реализующие их элементы [37]. Воспринимающая часть (ВЧ), на вход которой поступают сиг- налы в виде тока /р и напряжения Up от измерительных ТТ и TH защищаемого объекта, должна выполнять следующие функции: обеспечивать гальваническое отделение полупроводнико- вой схемы реле от вторичных цепей измерительных ТТ и TH, в которых могут возникать перенапряжения, не допустимые для полупроводниковых элементов, и помехи, искажающие входные сигналы; преобразовывать переменный ток 1р, получаемый от ТТ, в переменное напряжение требуемого уровня, поскольку в ка- честве сигналов в полупроводниковых устройствах использу- ются напряжения (потенциальные сигналы); понижать уровни входных величин (Up и 1р) до значений, до- пустимых для полупроводниковых элементов; Рис. 2.38. Упрощенная функциональная схема'ИО 75
обеспечивать возможность выполнения и регулирования уставок срабатывания ИО. В результате указанных преобразований на выходе восприни- мающей части появляются напряжения, пропорциональные входным сигналам, совпадающие с ними по фазе, но умень- шенные по значению до допустимого для полупроводниковых элементов уровня /cn.HL/p и кпл1р (здесь /спн и /спл. - коэффи- циенты преобразования входных сигналов). Преобразующая (формирующая) часть (ФЧ), приняв сигналы воспринимающей части, формирует из них п подлежащих срав- нению электрических величин в виде напряжений U1 ... Un, позволяющих получить соответствующие ИО с заданной ха- рактеристикой срабатывания. Эти напряжения образуются в результате дополнительных преобразований входных вели- чин, контролируемых Ц, и /р, и их суммирования по уравнени- ям следующего вида: У1 ~ ^1н(^П.н(/р) + ^1т(^П.т/р) ~ + klflpi (2.20) Уп ~ кпн(кПИПр) + кп т(^п.т!р) ~ kn(jUp + knjlp. В уравнениях к1Н ... /спн и /с1т ... кпт - коэффициенты, опреде- ляющие дополнительные преобразования входных величин. Коэффициенты ktu ... кпц и к^ ... knj являются комплексны- ми постоянными величинами, не зависящими от /р и Ур. Под- бирая значения этих коэффициентов, можно получить различ- ного вида ИО (РНМ и PC) с нужными характеристиками. Число формируемых напряжений п зависит от количества сравнива- емых величин. Сформированные по (2.20) переменные или выпрямленные напряжения U1 ... Un поступают на вход сравнивающей части. Сравнивающая часть (СЧ) выполняется в виде специаль- ной схемы, в которой по заданным условиям (алгоритмам), зависящим от вида ИО, осуществляется сравнение напряжений У1...ип, полученных по (2.20). По принципу сравнения схемы подразделяются на схемы, осуществляющие сравнение абсолютных значений электри- ческих величин, и схемы, сравнивающие их фазы. В отечественной практике схемы первого типа выполняют- ся на выпрямленном токе, в них сравниваются два напряже- 76
ния Ut и U2, [сформированные по (2.20)] после их выпрямле- ния. Схемы на сравнении фаз выполняются с помощью фазо- сравнивающих схем, позволяющих определять углы сдвига фаз между двумя или четырьмя величинами, разрешая дей- ствие реле в заданном диапазоне этих углов. В зависимости от результатов сравнения реагирующий эле- мент схемы сравнения посылает дискретный сигнал на вход исполнительной части о срабатывании ИО (L/cp). Исполнительная часть (ИЧ), называемая также выходной частью, получив сигнал о срабатывании, усиливает его и вы- дает команду на отключение выключателя непосредственно или по каналам логической части (ЛЧ) в сложных защитах. Источник постоянного тока (ИПТ) является важным эле- ментом полупроводниковых РЗ, необходимым для питания полупроводниковых элементов. Для транзисторных схем тре- буются напряжения с уровнями 6-24 В. В устройствах, выпол- ненных на ИМС, применяются источники питания ± 15 В, от- личающиеся высокой стабильностью выходного напряжения. Источник питания подключается к сети переменного тока (100-380 В) либо к аккумуляторной батарее 220-110 В и преоб- разует входное напряжение в напряжение постоянного тока требуемого уровня. Конструктивно полупроводниковые реле выполняются в виде электронных схем, собранных на печатных платах, где рас- полагаются ИМС, выносные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, соединяемые по заданным схемам. Отдельные полупроводниковые реле, как и электромеханические, выпус- каются в отдельных кожухах. Сложные РЗ, состоящие из нескольких реле, выполняются в виде единой схемы, состоящей из блоков, смонтированных на печатных платах. Печатные платы объединяются в блоки, которые собираются в кассетах, монтируемых на металличе- ских панелях или в шкафах. Электрические связи между бло- ками осуществляются с помощью специальных разъемов (в виде втычных контактных соединений). Устройства РЗ и сложных реле на полупроводниковой базе принято выполнять с автоматическим непрерывным функцио- нальным контролем исправности отдельных узлов схемы и с возможностью проведения периодического тестового конт- роля исправности реле и узлов и действия устройства обслу- живающим персоналом. 77
2.14. ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИО Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО (реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем функциональных элементов, с помощью которых реализуются описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку из этих элементов компонуются схемы измерительных орга- нов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся промежуточные преобразователи тока и напряжения, частот- ные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы сравнения и ряд других элементов, построенных в большин- стве случаев на ИМС [40, 45, 53]. Функциональные элементы воспринимающей части ИО. В качестве функциональных элементов этой части использу- ются преобразователи тока, напряжения и выпрямители. Преобразователи тока. Одной из функций воспри- нимающей части является преобразование входного тока в пропорциональное ему напряжение. Эта операция, наряду с другими, отмеченными выше функциями воспринимающей части, выполняется посредством промежуточных трансформа- торов тока (ПТТ) или трансреакторов (ПТР), которые наиболее просто исключают непосредственную гальваническую связь ИО с внешними цепями переменного тока. Промежуточные трансформаторы тока (рис. 2.39, а). В первич- ные обмотки Wj ПТТ подводится ток /р от измерительного ТТ (1а ~ 1в) защищаемого объекта; вторичная обмотка w2 замыка- ется на активное сопротивление резистора R, с зажимов кото- рого снимается выходное напряжение U2 = I2R. Выразив с по- мощью коэффициента трансформации кптт = ток 12 через получим, что выходное напряжение ПТТ = (7ПТТ = l^R = knp/lp. (2.21) U>2 Коэффициент Кпр в ^птт является коэффициентом преоб- разования тока It в напряжение l/птт- Как следует из (2.21), он равен R— W2 Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение пропорционально входному току = 1р при условии, что Кпр - постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ 78
Рис. 2.39. Преобразователи тока и напряжения: а — преобразователь тока (ПТТ) со ступенчатой регулировкой сигнала; б — характеристика ПТТ (А - рабочая точка); в - трансреактор (ПТР); г - векторные диаграммы, поясняющие работу ПТР; д — преобразователь напряжения должен работать в линейной части характеристики I2 = (рис. 2.39,5). Изменяя значения wv w2 или сопротивления R, можно изменять значение knp. В конструкции ПТТ предусматривается экран (показан пунк- тиром). Экран выполняется в виде дополнительной однослой- ной обмотки, расположенной между первичной и вторичной обмотками ПТТ. Экран защищает питающиеся от вторичной обмотки элементы от высокочастотных помех, появляющихся по разным причинам в цепях и w2 ПТТ. Высокочастотные токи (помехи), проходя через емкость С между витками первич- ной и вторичной w2 обмоток и экраном, замыкаются через последний на нулевую шинку, для этого один конец экрана Э должен быть обязательно связан с кулевой шинкой {’’землей”). При таком включении емкость С со стороны экранв будет иметь 79
нулевой потенциал, что надежно препятствует прохождению через нее токов помех, появившихся на первичной обмотке ПТТ. Промежуточный трансреактор (ПТР) (рис. 2.39, в) представ- ляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнито- проводе. Как и ПТТ, он выполняет все функции воспринима- ющей части ИО. Первичная обмотка w, трансреактора вклю- чается последовательно во вторичную цепь измерительно- го ТТ. Вторичная обмотка w2 ПТР замыкается на большое со- противление нагрузки ZH и практически работает в разомкну- том режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток Фптр создается только МДС первичной обмотки Тогда поток Фптр = г Л- Магнитный поток Фптр индуцирует во вторичной обмотке ПТР ЭДС Е2, действующее значение которой определяется по известному выражению Е2 = 4,44<f>nTPwi/ = ^Фптр* (2.22) Пренебрегая падением напряжения в X и R вторичной об- мотки, получаем, что выходное напряжение трансреактора U2 к Е2 и совпадает с ним по фазе. Из (2.22) следует, что Е2, а значит, и U2 пропорциональны первичному току /р, который является контролируемым то- ком защищаемого объекта, т. е. выходное напряжение ПТР U2 = Е2 = /спр/р, здесь /спр является коэффициентом преобразо- вания входного тока 1р в выходное напряжение (J2. Векторная диаграмма рассматриваемых величин показана на рис. 2.39, г. Согласно закону индукции, на диаграмме векторы Е2 и U2 изображены отстающими по фазе от потока Фг, а следователь- но, йот 1Г на 90°. В комплексной форме зависимость У.2 = Е2 — —jfcnpZi- (2.22а) Благодаря наличию воздушного зазора 6 магнитное сопро- тивление Ем магнитопровода трансреактора имеет повышен- ное значение. Это уменьшает магнитный поток Фптр и ограни- чивает насыщение магнитопровода. При отсутствии насыщения коэффициент /спр в выражении (2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимость (72(Е2) от 1р имеет линейный характер (рис. 2.39, б). 80
С учетом того, что ток 7Х сдвинут относительно U2 на 90°, величина /сПр может рассматриваться как некоторое реактив- ное сопротивление X в цепи первичного тока 1Р или как сопро- тивление взаимоиндукции М между первичной и вторичной обмотками трансреактора. Промежуточный трансформатор напряжения ПТН (рис. 2.39, д) - обычно понижающий входное напряжение. К первичной обмотке ПТН подается напряжение [Уп снима- емое с TH защищаемого объекта. Вторичная обмотка ПТН замкнута на нагрузку с сопротивлением RH, значительно пре- вышающим его внутреннее сопротивление: Ен » (?птн- Это позволяет с некоторым приближением считать, что ПТН работает в режиме холостого хода. В этом режиме коэф- фициент трансформации ПТН кптн = H2/L\ - w2/wit следова- тельно, напряжение U2 = U(2.23) С учетом (2.23) коэффициент преобразования выбирается из условия получения напряжения (72, допустимого для полу- проводниковых элементов. Для изменения уставки срабатывания предусматривается ступенчатое регулирование /сптн изменением числа витков w2, возможно регулирование с помощью делителя напряжения по рис. 2.39, Э. В конструкции ПТН предусматривается экран для тех же це- лей, что и в предыдущих схемах. Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямленное). В ИО, построенных на срав- нении выпрямленных токов и (или) напряжений, функция вы- прямления осуществляется в воспринимающей части (после преобразования и Ц, с помощью рассмотренных выше ПТТ, ПТР, ПТН). При этом в составе этой части появляются допол- нительные функциональные элементы: выпрямитель и сгла- живающее устройство. Выпрямители. Наиболее распространенной схемой вы- прямителя, широко применяемой в релейной технике, явля- ется двухполупериодная мостовая схема, собранная на полу- проводниковых диодах VD (рис. 2.40, а). Двухполупериодные выпрямители применяются в воспринимающей и преобразу- ющей частях ИО, использующих для формирования из вход- 81
Рис. 2.40. Токовое реле на выпрямленном токе: а — принципиальная схема; б — ток на входе выпрямителя; е — выпрямлен- ный ток Г, г — переменная и постоян- ная !<] составляющие ных синусоидальных токов и напряжений сравниваемых ве- личин. В положительный полупериод переменный ток i = Im sin tot, показанный стрелкой с одним штрихом, проходит через реле по двум открытым для положительного тока диодам 1 и 3, при этом диоды 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериоп ток i (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через диоды 2 и 4, которые в этом случае открываются, а диоды 1 и 3 закры- ваются. Таким образом, после выпрямителя ток идет через реле все время в одном направлении как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного тока. Кривая выпрям- ленного тока имеет пульсирующий характер (рис. 2.40, в), из- меняясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой пере- менного тока она сохраняет постоянный знак. Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составля- ющей Id, равной среднему за период значению выпрямленно- го тока, и переменной составляющей I-., или /100, являющей- ся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 2.40, г): М = Id + Л»о- 82
Постоянная составляющая выпрямленного тока Id = -7^ = °’631™ = ;'р; = (2.24) где 1т - амплитуда выпрямляемого тока i = 7msintof; 7cpi- - сред- нее значение выпрямленного тока. Переменная составляющая /100 = 72coscot = 0,4257mcos2ti)t (2.24а) Из (2.24) следует, что постоянная составляющая Id пропор- циональна максимальному значению выпрямленного тока 1т и может поэтому рассматриваться как модуль его вектора. Разложение выпрямленного тока на составляющие осуще- ствляется с помощью ряда Фурье, согласно которому выпрям- ленный ток состоит из постоянной слагающей и гармониче- ских составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами. При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока переменные составляющие ряда Фурье состоят только из четных гармоник: |/| = (2/л)7п + (2/l,3)cos2cof - (2/3,5)cos4ot + + (2/5,7)cos6coi + . . . Составляющими 4-й и более высоких гармоник пренебрега- ют и считают, что переменная слагающая выпрямленного то- ка состоит в основном из 2-й гармоники с амплитудой, равной частотой f2 = 2Д = 100 Гц. Если пульсация выпрямленного тока недопустима, то ее необходимо устранять (точнее, уменьшать), для чего приме- няется устройство, сглаживающее пульсацию. Устройство для сглаживания пульсации тока ограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис. 2.41. В схеме на рис. 2.41, а после- довательно с обмоткой реле KL включен дроссель L, индук- тивное сопротивление которого - coL = 2n/L = 2п • 50L зна- чительно для переменной составляющей с f2 = 100 Гц и рав- но нулю для постоянного тока. В схеме на рис. 2.41, б обмотка реле KL зашунтирована кон- денсатором С с сопротивлением Хс = 1/шС = 1/2л/С. Большая 83
Рис. 2.41. Схемы для сглаживания выпрямленного тока: а — с последовательным индуктивным сопротивлением; б — с шунтирующим конденсатором; в — с резонансным фильтром, не пропускающим тока с f = = 100 Гц; г — с расщеплением выпрямляемого тока на три составляющие I., 12> 13 часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой Хс мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим сопротивлением, и поэтому она полностью замыкается через обмотку реле. Такое реле реагирует на среднее значение тока. В схеме на рис. 2.41, в для сглаживания применен контур LC, настроенный в резонанс на частоту 2-й гармоники 100 Гц, преобладающей в выпрямленном токе. Такой фильтр свобод- но пропускает постоянную составляющую через индуктив- ность L и представляет большое сопротивление для перемен- ной составляющей. Схемы на рис. 2.41, а и б дают наилучший ре- зультат для источников переменного тока с малым сопротив- лением по отношению к нагрузкам (реле KL); схема на рис. 2.41, в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением. Наиболее распространенным является сглаживание с по- мощью контура RC по схеме на рис. 2.41, г. Изучение функциональных элементов формирующих и срав- нивающих частей следует начать с рассмотрения типовых ИМС, на базе которых построены элементы указанных струк- турных частей.
2.15. АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИО Функциональные элементы, применяемые в преобразующей, сравнивающей и исполнительных частях ИО, выполняются на аналоговых ИМС. В качестве такой микросхемы служат инте- гральные операционные усилители (ИОУ), являющиеся основ- ным видом аналоговых микросхем, применяемых для преоб- разования непрерывных сигналов. Они выполняются в виде многокаскадных транзисторных усилителей постоянного тока с непосредственными (гальваническими) связями. От осталь- ных усилителей этого типа ОУ отличаются высокой точностью преобразования входных сигналов и универсальностью при- менения. В релейной защите ОУ получили широкое распро- странение в качестве базовых элементов для построения из- мерительных органов РЗ [34-36, 46-49]. Операционные усилители должны иметь возможно боль- ший коэффициент усиления по напряжению К? = Ц)ыХ/^вх> очень большое сопротивление RBX и малое выходное ЯВЬ1Х, низкий уровень внутренних помех1 и широкую частотную по- лосу пропускания входных сигналов Д/, начиная с f = 0. Иде- альным считается ОУ, обладающий Ку - «>, Явх = «•, ЯВЬ1Х = 0, не имеющий погрешности преобразования, с полосой пропус- кания частот Д/ от 0 до °°. В отечественной практике приме- няются ОУ, имеющие Ку = 5 104, RBX =» 300 кОм, Явых = 50 Ом, частотный диапазон от 0 до 103 Гц, напряжение смещения нуля UCM не больше 5-10 мВ. Структурная схема ОУ, состоящего из трех каскадов, пока- зана на рис. 2.42, а. Входной каскад А1 выполняется по схеме дифференциального усилительного каскада, важным свой- ством которого является хорошая отстройка от внешних и внутренних помех. Это свойство дифференциального каскада (ДК) поясняет его упрощенная схема, приведенная на рис. 2.42, б- Каскад построен по балансово-параллельной (мо- стовой) схеме и состоит из двух симметричных параллельных ветвей. Образующие их транзисторы VT1, VT2 и резисторы Rl, R2 должны иметь идентичные параметры. Входные напряжения Под внутренней помехой подразумевается самопроизвольное появление выходного сигнала Пвых.п ПРИ Пвх = 0. Наличие такого сигнала искажает рабочий сигнал. 85
Рис. 2.42. Операционные усилители: а - структурная схема ОУ с тремя каскадами; б — упрощенная схема диф- ференциального каскада £/ВХ1 и Увхг преобразуются транзисторами VT1 и VT2 в выходные напряжения (7ВЫХ1 = Ку(,'ВХ1 и ивыХ2 = КуКВХ2. Применение дифференциальной схемы во входном каскаде обеспечивает основные качества ОУ - точность, стабильность выходных сигналов, повышает значение входного сопротив- ления и благодаря наличию двух дифференциальных входов расширяет функциональные возможности ОУ. Однако при простой схеме ДК получить Ку необходимого уровня не удается. Дополнительное усиление входных напря- жений обеспечивается вторым каскадом А2. Этот каскад обыч- но выполняется также по схеме с ДК с двумя входами, но с одним выходом, поскольку третий каскад АЗ имеет один вход. Выходной каскад АЗ предназначен для усиления мощности выходного сигнала и согласования выхода ОУ с нагрузкой, что получается за счет малого значения его Явых. Этот каскад вы- полняется по схеме эмиттерного повторителя [13], его выход 3 (рис. 2.42, а) является выходом ОУ, к которому подключается нагрузка. Имеются двухкаскадные ОУ, в которых применяются усовершенствованные схемы входного и выходного каскадов, при которых промежуточный каскад не нужен. Конструктивно ОУ изготавливается в виде полупроводни- ковой монолитной ИМС. Схема ОУ содержит 30 элементов и более. На ОУ через зажимы 4 и 5 подается питание от двух источ- ников постоянного тока +ЕП и -Еп (обычно ± 15) с общей нуле- вой шинкой, которая может заземляться, на схемах она пока- зывается короткой жирной чертой (рис. 2.43, а). Операционный усилитель имеет два входа 1 и 2, являющихся входами диффе- 86
Рис. 2.43. Условное изображение операционного усилителя: а — основное; б, в — варианты Рис. 2.44. Передаточные характеристики операционного каскада ренциального каскада, и осуществляет усиление напряжения, приложенного между ними. Это напряжение обычно называ- ется дифференциальным входным сигналом С7ВХфП, поскольку оно равно разности потенциалов входов 1 и 2: Ц,ЫХ = Ку(^Х, - = S и»Х.Д • (2.25) Знак выходного напряжения определяется знаком разности L/BX1 - С/ г» В релейных схемах ОУ часто используется и как усилитель одного входного напряжения, подаваемого на вход 1 или 2. При этом на второй вход подается нулевой сигнал, для чего он соединяется с нулевой шинкой. При подаче на вход 2 напряжения +17ВХ2, а на вход 1 нулевого сигнала диф- ференциальный входной сигнал ивхц = 0 - (7вх2. В этом случае ивых = V°-UBX2) = -Куит2. (2.26) Знак минус означает, что при подаче напряжения на вход 1 выходной сигнал имеет полярность, противоположную поляр- ности входного напряжения. Поэтому вход 1 получил название инвертирующего входа (сокращенно И-вход), на релейных схе- мах обычно обозначается буквой И, на условном изображении ОУ И-вход обозначается знаком или кружком (рис. 2.43, б, в). 87
Второй вход (2 на рис. 2.43) называется неинверти- рующим (Н-вход). При подаче на него напряжения + 17вх1 и соединении входа 2 с нулевой шинкой на выходе ОУ появля- ется сигнал Пвых =Ку(Пвх1 - 0) =КуНвх1 с тем же знаком, что и у (7ВХ1 • Поступающий на вход 2 сигнал обозначается индек- сом ”Н” (Ubxh)- На условном изображении ОУ (рис. 2.43,а) неинвертирующий вход обозначается ” + ”. Передаточная характеристика ОУ, определяющая зависимость 17вых от значений дифференциального входного сигнала, изображена на рис. 2.44 (кривая 1). Как и у любого транзисторного усилителя, характеристика ОУ имеет линей- ную и насыщенную (нелинейную) части. В линейной части характеристики ОУ работает как анало- говый элемент, преобразующий непрерывный входной сигнал (7ВХфД в непрерывный выходной 17вых = Ку17вх>д. Наклон линей- ной части определяется значением Ку. В области насыщения (за точками Ах и А2) ОУ может работать в режиме переключа- теля (электронного ключа) при дискретном изменении вход- ного сигнала (например, с + 17вх>д на -Пвх>д), при этом 17вых из- меняется скачком от начального + Ц?Ь1ХГТ7ах до -Пвыхтах. Зна- чение + ПВЬ1хтах ограничивается значением напряжения источ- ника питания и должно быть меньше последнего на 2-3 В. Характеристика 1 показана проходящей через начало ко- ординат, что возможно только при отсутствии погрешности, обусловленной разбалансом входного каскада. При наличии погрешностей действительная характеристика будет сдвинута относительно начала координат на величину Псд0 и будет изображаться кривой 2 или 3 (рис. 2.44). Операционные усилители в большинстве случаев их приме- нения дополняются внешними обратными связями (ОС) (рис. 2.45), что позволяет выполнять ряд различных по своим функциям элементов путем выбора способа включения и па- раметров ОС. С помощью ОС выходной сигнал (напряжение или ток) воздействует на вход ОУ, усиливая или ослабляя значение входного сигнала (7ВХ. Обратная связь, уменьшающая входной сигнал, называется отрицательной, а увеличивающая его - положительной. Обратная связь выполняется на пассив- ных элементах: резисторах либо конденсаторах (R или С). Отрицательная ОС снижает уровень помех, увеличивает ли- нейность характеристики, повышает ее стабильность, умень- шает коэффициент усиления, расширяет линейный участок 88
Рис. 2.45. Операционный усилитель с внешней обратной связью: а — схема; б — потенциальная диаграмма; в — характеристика проходной характеристики ОУ, позволяет менять параметры для получения нужных функциональных элементов. В релей- ных схемах используется главным образом отрицательная ОС по напряжению, включаемая параллельно входу и выхо- ду ОУ (рис. 2.45, а). Рассмотрим две простейшие типовые схемы ОУ (инверти- рующего и неинвертирующего), на базе которых выполняются схемы более сложных функциональных элементов. Будем счи- тать, что ОУ обладает идеальными параметрами, что позволя- ет сделать два допущения: 1) при работе ОУ в линейном режиме 17вых = Ку17вх, отсюда С/’вх = С7вых/Ку, а так как у идеального ОУ Ку - °°, то, следова- тельно, Цэх = = 0; 2) поскольку у идеального ОУ 7?вх = то при любом значе- нии входного напряжения 17вх входной ток ОУ /вх = Ьвх//?вх = = 0. Сопоставление выходных напряжений, рассчитанных с ука- занными допущениями, с точными расчетами показывает, что погрешность расчета очень мала (примерно 0,6%) и нахо- дится в допустимых пределах [34]. 2.16. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В УСТРОЙСТВАХ РЗ Инвертирующий операционный усилитель выполняется на ОУ с параллельной отрицательной ОС (ООС) по напряжению (рис. 2.45, а). Неинвертирующий вход Н соединен с общей (нулевой) шинкой непосредственно или через резистор, поэто- 89
му l/H = 0. Входной сигнал UBX1 подается через резистор R1 на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резистор Rqq посту- пает напряжение с выхода ОУ: Uqc = “^ос^вых- Коэффициент КОс показывает, какая часть выходного напряжения переда- ется на вход усилителя: Кос = R1/(R1 + /?ос). Определим основной параметр усилителя: Куц = UBblx/UBX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (Куоу - °°, •^вхОУ = ео), принимаем напряжение между входными зажима- ми ОУ Цэх.д = ^н-и = UH “ = 0- Отсюда следует, что Uy - = Uy, а так как Uh = 0, то потенциал И-входа (Uy) инвертиру- ющего усилителя будет равен нулю. Определим входной ток /, и ток ОС /ос (рис. 2.45, а). При подаче на вход 1 сигнала UBX1 положительного знака ^RY1-0 <4x1 = _ВХ>--И_ = _»1--- = В» 1 R. R.R. 7 1<ж = Uy. — <4ых 0-^вш ^вых (2.28) Roc Roc fiOC Поскольку у идеального ОУ /вх = 0, то /ос = h (h ~ входной ток схемы). Подставив значения токов из (2.27) и (2.28), полу- чим: ивх1//?! = - ивых/7?ос- Отсюда находим Куи = - UBbIX/l7BX1 = -Rqq/R1. (2.29) Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только отношением сопротивлений цепи ОС (Rqq) и входного сопротивления схемы (Ri) и являет- ся поэтому стабильной величиной, не зависящей от парамет- ров транзисторов и других элементов, входящих в ОУ (изме- няющихся под влиянием температуры и других факторов). Линейная часть проходной характеристики 1 инвертирующе- го усилителя (участок АВ на рис. 2.45, в), где (7ВЫХ = -^уи^Вх1’ идет ниже линейной части 2 характеристики ОУ, поскольку КуИ ^уоу и имеет больший линейный участок. Изменяя соотношение /?ос и R1, можно изменять значение КуИ и про- ходную характеристику. При RqC = jRj/Kypj = 1 инвертирующий ОУ превращается в повторитель UBX1 с изменением его знака: UBbIX = -UBX1. Входное сопротивление схемы инвертирующего ОУ RBX - - UBX1/IBX; с учетом того, что потенциал иИ = 0, L'3X = UBX1> 90
Рис. 2.46. Неинвертирующии опера- ционный усилитель а входной ток /вх = 11У поэтому RBX = U = Rlt как правило, оно значительно меньше КвхОУ. Приближенно выходное сопротивление схемы определяет- ся по формуле [34]: _ ^выхОУ^1 +J?OC/Ri) ^вых И — ь- куОУ (2.30) Поскольку KyQy велико, ЯвыхИ имеет малое значение (50 - 100 Ом). Инвертирующий усилитель может служить для преобразо- вания входных напряжений как постоянного, так и перемен- ного тока и широко используется для выполнения различ- ных функциональных схем, рассматриваемых ниже. Инверти- рующий усилитель используется как масштабный усилитель с инвертированием входного сигнала. При анализе любых схем, построенных на инвертирующем ОУ, следует учитывать, что потенциал И-входа равен нулю (поскольку Uh-и “ 0)« Неинвертирующий операционный усилитель выполняется по схеме с ООС по напряжению (рис. 2.46). Входной сигнал UBX подается на Н-вход операционного усилителя. Напряже- ние ОС Uqc снимается с делителя напряжения, образованно- го резисторами RI-Rqc, и заводится на И-вход. Поскольку на- пряжение между входами ОУ Н и И равно разности их потен- циалов, то под действием ОС на входе усилителя появится результирующее дифференциальное напряжение ивх-д = Uh - - = UBX - Uqc- В этой схеме ОС действует как ООС, противодействуя UBX. Значение Uqc можно определить как падение напряжения от тока Л = UBUX/(Ri + Яос) в резисторе R1, т. е. UQC = UBb!X х / \ ”₽ + ~ ^ОС^вых- \ К1+Лос / 91
Из схемы рис. 2.46 видно, что ^ых = + /ос^ос- (2.31) Полагая, что ОУ идеален, считаем, что 4х,оу = О и> следова- тельно, -Гос.оу = Л- При этом, как следует из схемы включе- ния (рис. 2.46), Ц = поэтому /ос = Л = Подставив значения и /ос в (2.31), получим ^вх ^1 + ^ОС (4ых = —(*,+ /гос) = (4х—— • (2.32) Из (2.32) следует, что коэффициент усиления неинвертиру- ющего усилителя Как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления неинвер- тирующего ОУ Кун не зависит от изменения параметров эле- ментов, входящих в ОУ, и является стабильной величиной. Проходная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис. 2.47. Она располагается в I и III квадрантах комплексной плоскости, так как знаки 1/вых и (7ВХ совпадают. Наклон линейной части характеристики определяется значе- нием КуН: чем меньше КуН, тем больше линейная часть и диапазон (7ВХ, при котором схема работает как линейный уси- литель. Особенностью неинвертирующего усилителя является очень большое входное сопротивление /?вх (до сотен мегаом). Вы- ходное сопротивление /?ВЬ1Х = 50 -е- 100 Ом. Неинвертирующий усилитель используется как базовый элемент для выполнения ряда функциональных узлов в схе- мах измерительных органов. Дифференциальный усилитель. Схема усилителя (рис. 2.48) выполняется на ОУ с ООС. Она действует на оба его входа (И и Н), куда приходят также два входных сигнала ((7ВХ1 и (7ВХ2). Такой усилитель используется для вычитания одного вход* ного сигнала из другого (например, (7вх2 - t4xi): (Л,ыхЛУ = Кду((7вх2 - (7ВХ1). (2.34) Эту схему можно рассматривать как инвертирующий и не- инвертирующий усилители, выполненные на одном ОУ. 92
Рис. 2.47. Проходная характеристика неинвертирующего усилителя Рис. 2.48. Дифференциальный усили- тель Действительно, на И-вход ОУ так же, как и у инвертиру- ющего усилителя (рис. 2.48), через резистор R1 подается вход- ной сигнал (7ВХ1, а через резистор Rqc - цепь ООС, в то же вре- мя на Н-вход, по аналогии с неинвертирующим усилителем (см. рис. 2.46), подается входное напряжение (7вх2 и ООС, при- ходящая с И-входа. В отличие от схемы на рис. 2.46, напряже- ние (7вх2 снимается и заводится на Н-вход с резистора R3 делителя напряжения резисторов R2 и R3, т. е. = UR3 = (2.35) Учитывая, что при наличии ООС ОУ работает в линейной части, пользуясь методом наложения, находим выходное на- пряжение рассматриваемой схемы как алгебраическую сумму (с учетом знаков) двух выходных напряжений. Одного, полу- чаемого в результате усиления (7ВХ1 с коэффициентом Куи = = KqC/Ki при UBx2 = 0, и второго, в результате усиления Нвх2, R1 + ROC поступающего на Н-вход (2.35), с коэффициентом Кун =-- при (7ВХ1 = 0. В соответствиии с этим получим R3 lRi + Roc \ *ос 'ЬЫХ ДУ = Uel2—j - UBX 1 (2-36) Чтобы рассматриваемая схема работала как вычитатель, коэффициенты усиления при (7вх2 и (7вХ1 должны быть равны. Для выполнения этого условия сопротивления резисторов в 93
(2.36) выбираются исходя из следующих соотношений: /?2 = Rx; R3 = Roc. (2.37) Приняв сопротивления резисторов в выражении (2.36) по (2.37), получим J?oc (2.38) Здесь Roc/Ri является коэффициентом преобразования (уси- ления) UBX2 и UBX1. Рассмотренная схема работает как вычи- татель. 2.17. ПРОСТЕЙШИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА ОУ Сумматоры напряжения. Сумматоры осуществляют сложе- ние (алгебраическое и геометрическое) нескольких напряже- ний и используются в качестве устройства, формирующего две и больше сравниваемые величины в ИО по выражениям (2.20). Сумматор выполняется по схеме инвертирующего усилите- ля, у которого к И-входу подводится не одно, а несколько сум- мируемых напряжений. Рассмотрим схему (рис. 2.49) алгебраи- ческого сложения п напряжений: + U2 + ... + Un. Каждое напряжение подводится к И-входу ОУ через свой резистор Rl, R2,..., Rn. Под действием приложенного напряжения в цепи каждого резистора (R2, R2, ..., Rn) возникают tokh/j,I2, ...,/л. Эти токи сходятся в узловой точке схемы - на И-входе ОУ вместе с то- ком ОС /ос и входным током ОУ /вхОу. Учитывая, что 4хОУ = = 0, получаем, что ток в цепи ОС равен сумме токов входных цепей: he = "(Л + /2 + Ы (2.39) Выразив эти токи через вызвавшие их напряжения (с уче- том, что потенциал И-входа инвертирующего усилителя при- нимается равным нулю) и подставив их значения в (2.39), получим / и2 UBUX/Roc = - -7— + + - + — . (2.40) \ *2 лп / 94
рис. 2.49. Сумматор на базе инвер- тирующего операционного усили- теля у 7; Умножив все члены уравнения (2.40) на /?ос> найдем напря- жение на выходе сумматора: вых Кос кос и,----- 4- и2---- R1 R2 = ку1с\ + ку2и2 ... купип, (2.41) где Ку1 = Roc/Ri; Ку2 = *oc/*2 — куп = Roc^n- Эти коэффициенты являются коэффициентами преобразо- вания (усиления) соответствующего входного напряжения в напряжение на выходе сумматора, их иногда называют весо- выми или масштабными коэффициентами. Их структура со- ответствует коэффициентам усиления КуИ инвертирующих ОУ. Таким образом, напряжение на выходе сумматора ивых, полученное в результате операции сложения входных напря- жений 17,, равно сумме произведений каждого из этих напря- жений на свой коэффициент преобразования Ку1. Чтобы полу- чить 17вых, пропорциональное сумме входных напряжений, необходимо принять сопротивления во всех п входных цепях одинаковыми: - R2 = ... - R„ = R. При этом будут одинаковы- ми все коэффициенты преобразования (усиления): К = = Ку2 = ... = Куп. Тогда получим, что напряжение на выходе сумматора л Ц,ых = KyI I Ц . (2.42) 1 = 1 При суммировании синусоидальных напряжений вида и,- = = ^misin(wt + ф,-) выходное напряжение 17вх1 по (2.42) будет являться алгебраической суммой мгновенных значений. Интегрирующий усилитель (рис. 2.50) выполняет функции интегратора входного сигнала, его выходное напряжение про- 95
Рис. 2.50. Интегратор на базе инвертирующего операционного усилителя: а—схема; 6 - характеристики порционально интегралу входного напряжения за определен* ный интервал времени t = At. На рис. 2.50, а изображена схема интегратора, выполненно- го по схеме инвертирующего ОУ, в котором в цепь ООС вместо резистора 7?ос включен конденсатор С1. Интегрируемое напря- жение £/ подается на И*вход ОУ через резистор R1. Конден- сатор С1 является основным элементом схемы - процесс его заряда имитирует операцию интегрирования. Анализ работы схемы ведется с допущением, что потенциал И-входа и ток ОУ равны нулю. В исходном режиме, до начала действия интегратора, входное напряжение отсутствует, конденсатор разряжен и 1/вых = 0. При появлении входного напряжения Свх схема интеграто- ра работает как схема инвертирующего ОУ, в ней появляется входной ток Ц = 1/вхХ/Т?15 выходное напряжение 17вых и ток в цепи ОС loc = -J1. Ток 1ос проходит через конденсатор, осу- ществляя его заряд. По мере заряда конденсатора начинает расти напряжение U&, являющееся напряжением ОС (1^ос)> а также и 1/вых, значение которого равно падению напряжения в цепи ОС (сопротивлению конденсатора ХС1 = Jc~ j При заряде конденсатора током его напряжение t Uci = q [ Jci (2.43) ° ^вх Подставляя в (2.43) значение = —-— и учитывая, что напряжение на зажимах конденсатора Uci - С4ых> находим за- 96
висимость выходного напряжения от UBX: t i V,tl. = ис1 = ~^Г j U^dt. (2.44) о о Поскольку интегратор выполнен по схеме инвертирующего усилителя, входной сигнал его преобразуется с инвертирова- нием его знака, на что указывает знак ” - ” в (2.44). Если на вход интегратора подано синусоидальное напряже- ние С'вх~ = l/msinQt, то согласно (2.44) в результате интегриро- / ^вх \ вания (7ВХ~ на выходе появится 17вых = - - cos cot. Если же I 6)2?! Cj I UBX является постоянным напряжением, то из (2.44) следует, что (4ых = “ (^Bx/^OJt. Диаграмма входного и выходного сигналов в функции времени t приведена на рис. 2.50, б. Такой интегратор используется для получения элемента с пило- образной характеристикой. Применяется также неинвертирующий интегратор, выпол- няемый на схеме неинвертирующего ОУ, где к Н-входу подклю- чен конденсатор С1 (рис. 2.51). Выходное напряжение этого интегратора t ^вых = (2.45) kGi о Это выражение можно получить, написав уравнение токов для узловой точки т (Н-вход ОУ), считая, что /вхОУв0* (^ВХ - ад/*з + (^ных - - C^dU^/dt) = 0. (2.46) Компараторы применяются в качестве устройства, осуще- ствляющего сравнение абсолютных значений двух входных напряжений. Функции компаратора в устройствах РЗ обычно выполняет ОУ без ОС, работающий в нелинейной части проходной ха- рактеристики, изображенной на рис. 2.52, б. Простейшая схема компаратора приведена на рис. 2.52, а. Сравниваемые напряжения 17вх1 и (JBX2 поступают на инверти- рующий и неинвертирующий входы (И и Н) ОУ, а 17вых являет- 97
Рис. 2.51. Неинвертирующий инте- гратор Рис. 2.52. Компаратор: а — схема; б — характеристика; е, г — поясняющие диаграммы ся функцией разности сравниваемых напряжений 17вхд - = ^BX2~^BXf Если в исходном состоянии 1/вх1 < (7bx2j то разность этих на- пряжений (17Вх.д » Ц,Х1 ~ ^вхг) > 0 и тогда на выходе компара- тора С7ВЫХ = + Umax ОУ (рис. 2.52,6), если же соотношение зна- чений входных сигналов изменится и (7ВХ1 станет больше 1/вх2, а (UBX2 ” (4xi) < О» т0 знак их разности изменится на от- рицательный, при этом выходное напряжение изменит поляр- ность и станет равным -UmaXQy. Такое изменение значения ивЫх происходит очень быстро - практически мгновенно (скачкообразно) и называется переключением. Таким образом, при изменении знака разности входных сигналов выходное 98
напряжение компаратора изменяет знак, сохраняя неизменным свое абсолютное значение, поскольку ОУ работает в насыщен- ной части характеристики, где (7ВЫХ = VmaxOy, и остается по- стоянным при любых значениях UBXJ3 (рис. 2.52, в). Выходное напряжение компаратора может иметь только два дискрет- ных значения + UmaxD и - VmaxOy. Фиксируя знак С4ых» мож- но определять, какое из двух сравниваемых напряжения больше. Для работы компаратора в насыщенной части характери- стики разность входных напряжений 17ВХ1Д = UBX2 “ (4xi Должна быть больше (7гр - напряжения, при котором ОУ переходит в режим насыщения (см. рис. 2.52, 6). На рис. 2.52, г приведена идеальная характеристика рас- смотренного компаратора, на которой, пренебрегая малым значением (7гр, показано, что 1/вых переключается (изменяется скачком) при (7ВХ.Д = (С7вх2 - ^BXi) = т. е- ПРИ прохождении характеристики компаратора через начало координат. При синусоидальном входном сигнале (7ВХ.П = (7msinot (рис. 2.52, г) он преобразуется в напряжение (7ВЫХ с изменением формы синусоидального сигнала на прямоугольную. Такое изменение формы обусловлено тем, что в нелинейной части характери- стики Свых = Umax, сохраняющему неизменное значение при всех значениях В измерительных органах РЗ компараторы используются в виде пороговых элементов, триггеров Шмитта, нуль-индика- торов, элементов, преобразующих сигнал произвольной фор- мы в прямоугольный. Пороговый элемент (рис. 2.53, а) представляет собой компа- ратор, у которого одно входное напряжение, например, UBX1, Рис. 2.53. Пороговый элемент 99
поступающее на И-вход, является измеряемой величиной, изменяющейся во времени (например, синусоидальное напря- жение), а второе С'вх2 подается на Н-вход и является постоян- ной величиной - эталоном, с которым сравнивается значение измеряемого сигнала Uaxl • Эталонное напряжение определяет значение Ц,х1> при котором происходит переключение (сра- батывание) компаратора. Напряжение называется также опорным или пороговым, будем обозначать его в даль- нейшем уоп или t/nop. При и < у пороговый элемент находится в исходном состоянии - недействия, и, поскольку ивх Д = (Von - Usx2} > О, т. е. имеет положительный знак, С'НЬ1Х = ^тахОУ При увеличении измеряемой величины, когда С'вх1 > 17оп, элемент переключается (срабатывает) и на его выходе скачко- образно изменяется Нвых с UmaxOy на -Птах0У. При уменьше- нии U до значения, меньшего Uon, элемент возвращается в исходное состояние. Срабатывание и возврат элемента про- исходят в тот момент, когда UBX1 = Uon. Это означает, что ко- эффициент возврата рассмотренного порогового элемента 1 ^вх 1 _ кв = —---- = — = 1. Проходная характеристика порогового ^ВОЭ ”оП элемента изображена на рис. 2.53, б. Характер изменения во времени выходного напряжения при входном напряжении, изменяющемся по закону синуса (Свх1 = t7msin«f), приведен на рис. 2.52, г. Из рисунка видно, что 17вых имеет форму прямоуголь- ника с амплитудой, равной Umax<yy, в течение положительного полупериода синусоиды 17вых = + UmaXQy, а во время отрица- тельного полупериода (/вых = - ЦпахОУ* Пороговый элемент, выполненный по простой схеме (рис. 2.53, а), можно рассматри- вать как электронное реле мгновенного действия с коэффи- циентом возврата кв = 1. Пороговый элемент с положительной ОС, называемый так- же триггером Шмитта, осуществляется по схеме компаратора с добавлением положительной ОС (рис. 2.54, а). Цепь ОС со- стоит из делителя напряжения на резисторах R2 и R3, включен- ных между выходом схемы и нулевой шинкой. Напряжение ОС Uqq снимается с точки тп делителя и подается на Н-выход ОУ. Контролируемое напряжение VBXi, меняющееся во времени (обычно синусоидальное или выпрямленное), подается на инвертирующий вход ОУ через резистор R1. Проходная харак- 100
Рис. 2.54. Пороговый элемент с положительной обратной связью — триггер Шмитта теристика элемента, определяющая зависимость 17вых от Пвх1 при наличии Uoc, изображена на рис. 2.54, б. При подаче на И-вход (рис. 2.54, а) напряжения -UBX1 отри- цательной полярности] (7вх1| > | <7гр|, за пределами которого ОУ работает в нелинейной (насыщенной) части характеристики, на выходе элемента появляется напряжение положительной полярности 17вых = + ЦпахОУ (рис. 2.54,6) с инвертированным относительно -Пвх1 знаком. Под действием этого напряжения на Н-входе появляется напряжение положительной ОС У ос ~ = #ос(+ ^вых) = #ос(+ ^тахОу)- Его полярность совпадает с полярностью Пвых, Uoc = П2 = Joc^2 = Я2« Подставив к2 + к3 в это выражение значение UBblxmQJ, получим *2 = иос = итахОу . к2 + К3 Как и в предыдущей схеме порогового элемента, значение определяет, при каком значении СВХ1 произойдет переклю- чение (срабатывание) схемы (см. рис. 2.52,6). При изменении Ц>Х1 в сторону увеличения 1/вх1 < Пн^ос), поэтому С'ц компа- ратора, а следовательно, и Ur = Сое остаются неизменными. Но как только t/BX достигает уровня UH « + UqC, наступает ра- венство Свх = Uh(U0C) (точка 1 на рис. 2.54,6), и тогда при ма- лом увеличении С'вх « 1 мВ компаратор переключается, при этом происходит скачкобразное изменение выходного напря- жения с + VmaxOy на -VmaxQy. Соответственно на Н-входе компаратора изменяется знак напряжения Пос без изменения 101
его абсолютного значения; напряжение ОС станет равным R2 ^ОС “ ~ ^вых max D , D • R2 +K3 В случае дальнейшего увеличения входного напряжения + [7ВХ1 напряжения -СвыхОу и Uqc остаются неизменными, поскольку остается неизменным соотношение напряжений на И- и Н-входах: | UBX | > | Uqc |. При уменьшении 17вх уровень выходного напряжения не изменится до тех пор, пока входное напряжение не достигнет значения - ~ ^ос (точка 2 на рис. 2.54, б), тогда при превышении абсолютного значения Uqc на 1-2 мВ произойдет переключение (возврат) компаратора в начальное состояние, при котором изменяется знак 17вых и оно снова становится равным +UmaXQ-y. Соответственно ме- няется знак Uqc (с ” на ” + ”). Напряжение на Н-входе при- R2 нимает прежнее значение = + UmaXQ-y----------. Пороговый R2 +R3 элемент остается в таком состоянии до появления UBX положи- тельного знака, превышающего по абсолютному значению напряжение Un = Uqc- При этом компаратор снова срабатыва- ет и переключает знак 1/вых и UOc Таким образом, компаратор с ОС, в отличие от схемы компаратора без ОС, имеет напряже- ние срабатывания (С7ср = 1/вых) больше,, чем напряжение воз- врата (Пв.р = 1/вх2). Это означает, что триггер Шмитта имеет характеристику, аналогичную релейной, и работает как элект- ронное реле мгновенного действия с квоз =# 1. Из диаграммы на рис. 2.54, б видно, что 1/ср - 1/в р - 21/ос. Условно Uoc назы- вается гистерезисом элемента. Его значение можно изменить, изменяя соотношение R2 и R3. Чем больше напряжение гис- терезиса, тем лучше отстройка от помех. Изменяя значения R2 и R3, можно регулировать С'ср и 1/вр. Триггер Шмитта имеет широкое применение в ИО РЗ, выпус- каемых отечественной промышленностью, в качестве схемы, преобразующей входной сигнал любой формы в прямоуголь- ный сигнал постоянного значения, имеющего два устойчивых состояния, отличающихся Полярностью выходной величины. Элемент с областью нечувствительности (рис. 2.55, а) (двух- полярный пороговый элемент) выполнен на базе инвертиру- ющего усилителя, в котором в цепь ООС вместо Rqc включен выпрямительный мост VS, подключенный другой своей диа- гональю через резистор R2 к источнику питания. При UBX - 0 ток 12, протекающий по R2 и R3 от источника пи- тания, разветвляется через диоды VD1, VD3 и VD2, VD4, по-
Рис. 2.55. Элемент с областью нечувствительности этому все диоды открыты и напряжение между входом моста (точка а) и его выходом (точка Ь) равно нулю, что соответствует цепи ООС. Поэтому Ку = 0 и 1/вых = 0. При появлении положи- тельного £/вх появляется ток Ix = 1/вх/Л1} который увеличивает ток в диодах VD3 и VD2 и снижает в VD1 и VD4. По мере увели- чения 1/вх соответственно возрастает ток = UBX/Rl, но прямой ток в диодах VD1 и VD2 продолжает протекать, хотя и сущест- венно снижается по значению. Все диоды моста остаются от- крытыми, напряжение Uab остается равным нулю и Ку по-преж- нему равен нулю. Когда UBX достигает уровня, при котором Л = компаратор срабатывает, так как при этом диоды VD1 и VD4 запираются, их обратный ток равен нулю, а цепь ООС ока- зывается разорванной. Коэффициент усиления становится близ- ким коэффициенту усиления ОУ (Ку > 50 000), что обеспечивает появление выходного напряжения Пвыхтах = “ЦпахОУ- На- пряжение Пвх является пороговым. При дальнейшем увеличении положительного l/BX VD1 и VD4 остаются закрытыми, а на выходе схемы сохраняется зна- чение U3bamax. Когда UBX снижается ниже значения I2Rlt дио- ды моста вновь открываются, Ку становится равным нулю и на выходе вновь появляется нулевое напряжение (рис. 2.55, б). Для появления выходного напряжения достаточно очень малого (несколько милливольт) превышения UBX над С учетом I = En/R2, получим значение порогового напряжения схемы Ппор = EnRjR2. (2.47) При отрицательном 1/вх схема работает аналогично. Из (2.47) следует, что 1/пор может быть изменено путем изменения юз
сопротивления одного резистора (R1 или R2) или значения Еп. Для защиты входов ОУ при многократном увеличении UBX относительно уровня срабатывания может использоваться цепь из двух параллельно включенных диодов. Рассмотренная схема является элементом с двумя регулируемыми разнополярными порогами, или, иными словами, элементом с регулируемой зоной нечувствительности. При R2 = R3 абсолютные значения отрицательного и положительного напряжения (7пор одинако- вы, а при R2 * R3 - различны. Активные частотные фильтры на ОУ. В переходных режимах в сетях СВН токи и напряжения содержат высшие, а иногда и низшие гармонические составляющие, которые могут приве- сти к ложной работе или замедлению действия РЗ. Гармоники, искажающие действие РЗ, отмечены также в сетях 110-220 кВ, осуществляющих электроснабжение электрифицированных железных дорог и промышленных предприятий с нагрузкой на выпрямленном токе. Для обеспечения правильной работы РЗ используются фильтры, пропускающие токи и напряжения с частотой 50 Гц и запирающие прохождение токов высших и низших гармоник в ИО РЗ. Различаются три основных типа частотных фильтров: фильт- ры низких частот (ФНЧ), пропускающие напряжения с часто- той ниже некоторой заданной частоты, условно называемой частотой среза, и подавляющие (задерживающие) напряжения с частотой более высокой, чем частота среза; фильтры высших частот (ФВЧ), пропускающие напряжения с частотой выше ча- стоты среза, и подавляющие напряжение с частотой ниже ча- стоты среза; полосовые фильтры (ПФ), пропускающие напря- жения в заданной полосе частот и подавляющие напряжения с частотой большей, чем верхняя частота полосы пропускания, и меньшей, чем нижняя. Фильтры низших и высших частот обычно выполняются на основе RC-цепей. Простейшим ФНЧ является интегрирующая RC-цепь (рис. 2.56, а), представляющая собой резистивно- емкостный делитель напряжения, причем (7ВЫХ формируется на R2, С1, включенных параллельно. Простейшим ФВЧ является дифференцирующая цепь (рис. 2.57, а), также представляющая собой резистивно-емкост- ный делитель; Пвых снимается с резистора R1. Полосовые фильтры выполняются комбинацией элементов R. L и С, например, один из простейших фильтров этого типа 104
Рис. 2.56. Полосовой фильтр низкой частоты: а — схема; б — частотная характеристика Рис. 2.57, Полосовой фильтр высокой частоты: а - схема; б — частотная характеристика (рис. 2.58, а) состоит из резистора и LC-контура с резонансом токов; С7ВЫХ снимается с резонансного контура. Выполнение частотных фильтров на ОУ (активных частот- ных фильтров АФ) позволяет совместить функции частотной фильтрации с усилением, а также выполнить полосовые фильт- ры с высокой добротностью. Простейший АФ НЧ выполняется на основе интегриру- ющего усилителя с дополнительным резистором R2, который обеспечивает заданный Ку в полосе пропускания, в частности на постоянном токе (рис. 2.59, а). Поскольку на постоянном токе (□ = 2л/ “ 0) Хс = I/OСх -* 00, то Ку, как для обычного ин- вертирующего усилителя, равен В полосе пропускания ХС1 остается существенно больше Я2, и поэтому ПВых 88 . По мере увеличения частоты значение XCj снижается, а Ку можно считать равным |ХС;| /Ry. Частотная характеристика фильтра соответствует рис. 2.56, б. 105
a) Рис. 2.58. Комбинированный полосовой фильтр: а - схема; б — частотная характеристика Рис. 2.59. Активные фильтры на операционных усилителях Простейший АФ ВЧ выполняется на основе дифференци- рующего усилителя с дополнительным резистором, который обеспечивает заданный Ку в полосе пропускания (где Xqi =* « 0) (рис. 2.59, б). По мере уменьшения частоты Ха возрастает и в полосе задерживания существенно превышает сопротив- ление при этом Ку может быть принят равным Я2/|Хс;1’ При f = 0, когда Ха -* », Ку = 0, что соответствует частотной характеристике, приведенной на рис. 2.57, б. Полосовой АФ осуществляется на базе двойного Т-моста, выполненного на резисторах и конденсаторах (рис. 2.60, а). Входное напряжение подается на мостовую RC-схему, первая ее цепь включает С1 и С2, вторая R1 и С2. На диагонали этого моста (точки 3-2) образуется напряжение, которое при резонан- сной частоте сдвинуто относительно (7ВХ на угол а. На это на- пряжение включена цепь R3, СЗ, параметры которой при той же частоте обеспечивают угол сдвига тока в этой цепи, рав- ный а/2. Благодаря этому (рис. 2.60, б) точки 4 и 1 имеют рав- ные потенциалы. При отклонении частоты от резонансной в сторону увеличения появляется ивых. Полосовой АФ выпол- 106
Рис. 2.60. Полосовой фильтр на базе двойного Т-моста иен на основе инвертирующего усилителя с двумя цепями ООС, в одну из которых включен двойной Т-мост (рис. 2.60, б). На резонансной частоте напряжение на выходе двойного Т-моста (точка 4) равно нулю, ток через резистор R6 отсутству- ет, поэтому Ку определяется отношением сопротивления ре- зистора в цепи ООС к сопротивлению входного резистора R1; соответственно (7ВЫХ = UBX(R2/R1). Этот Ку на резонансной ча- стоте (обычно 50 Гц) условно принимается за единичный (рис. 2.60, г). При отклонении частоты от резонансной на выходе двой- ного Т-моста появляется напряжение, и через R6 протекает до- полнительный ток ООС, который уменьшает Ку на частотах, отличных от резонансной. Чем меньше сопротивление R6, тем интенсивнее ООС при отклонении частоты от резонансной и тем больше снижается Ку в этих условиях, обеспечивая более узкую полосу пропускания полосового частотного фильтра. Поскольку данный ПФ выполнен на основе инвертирующего усилителя, на его входе также может быть обеспечено сумми- 107
рование нескольких входных напряжений, и в этом случае ПФ выделяет составляющую промышленной частоты из суммы входных напряжений. 2.18. СХЕМЫ СРАВНЕНИЯ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Схемы сравнения двух абсолютных значений электрических величин. Схемы сравнения абсолютных значений получили распространение в ИО, где сравниваются выпрямленные на- пряжения | U[ | и | t/ц |. Применяются две схемы сравнения: на равновесии сравниваемых напряжений или на балансе токов, пропорциональных сравниваемым напряжениям (рис. 2.61). В схеме сравнения на равновесии напряжений (рис. 2.61, а) выпрямители VSJ и VS2 соединяются одноимен- ными полюсами, а в рассечку провода включается реагирующий орган РО. Под влиянием разности напряжений |у | - | С/ц | в РО появляется ток 1Р0. При | L/J > [ С/ц | ток /Р0 имеет положи- тельный знак, и РО действует. Резисторы R1 и R2 шунтируют выпрямители и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток /у5 помимо выпрямителей, пред- ставляющих большое сопротивление для токов обратного направления. В схеме сравнения на циркуляции токов (рис. 2.61,6) выпрямители VS1 и VS2 соединяются последовательно разно- полярными зажимами. Реагирующий орган РО подключается к зажимам тп параллельно обоим выпрямителям. В РО про- ходит ток Ipo = |jj| -1|. При равенстве |Jj| и |/ц| /Р0 = 0. Баласт- ные сопротивления R1 и R2 устанавливаются для того, чтобы РО не оказался зашунтированным сопротивлением работа- Рис. 2.61. Схемы сравнения: а — на равновесии напряжений; б — на циркуляции токов (балансе токов) R1 т R2 3) 108
ющего выпрямителя приемной стороны (так называется вы- прямитель, имеющий меньшее входное напряжение). Схема сравнения фаз двух электрических величин. Прин- цип действия. Реле на сравнении фаз (рис. 2.62, а) состоят из устройства сравнения фаз (фазосравнивающей схемы) J и ис- полнительного органа 2, реагирующего на знак выходного на- пряжения. Реле реагирует на угол ф сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями U[ и уп и приходит в действие при значении ф, удовлетворяющем условию (рх < ф < (р2, (2.48) где и ф2 - углы, ограничивающие зону действия реле (рис. 2.62, б, в). Знак и значение выходного напряжения увых фазосравни- вающей схемы, определяющего поведение реле, зависят от сдвига фаз между Ц и т. е. Увых = /(ф). При выполнении условия (2.48) 17вых положительно, ИО действует. Способы сравнения фаз. По способу сравнения фаз У] и Ун, или, иначе говоря, по типу фазосравнивающей схемы, разли- чают три вида реле: на импульсном принципе; на схеме, со- поставляющей продолжительность времени совпадения фаз с заданным временем; на кольцевой фазосравнивающей схеме. Сравнение фаз на импульсном принципе осуществляется сопоставлением мгновенных значений напря- жений у и уп в определенный момент времени, например в момент положительного максимума напряжения Уу (рис. 2.63). Для этой цели при прохождении напряжения у} через поло- жительный максимум формируется короткий импульс напря- Рис. 2.62, Схема реле направления мощности на сравнении абсолютных значе- ний L/j и Цц 109
Рис. 2.63. Принцип действия импульсного реле жения L7j,z(pHC. 2.63, а). Если положительный импульс [//'совпал с положительным мгновенным значением второго напряже- ния C7jj , то на выходе схемы появляется сигнал (напряже- ние [7ВЫХ) и ИО срабатывает. Если знаки импульса LZ/’и напря- жения С7Ц различны-реле не действует. Как видно из рис. 2.63, а, при выбранном моменте сравнения (во время прохождения у^ через максимум) совпадение поло- жительных значений у^ и ytl возможно при условии, что угол сдвига фаз будет находиться в пределах -90° +90°. (2.49) Выражение (2.49) показывает, что диапазон изменения угла Ф, в пределах которого реле срабатывает, равен 180°. Угловая характеристика работы импульсного реле приведена на рис. 2.63, б. Сравнение фаз на времяимпульсном прин- ципе. К схеме сравнения подводятся напряжения У[ и [7ц, сдвинутые по фазе на угол ф, как это показано на рис. 2.64, а. В течение определенной части положительного полуперио- да (отмеченной штриховкой на рис. 2.64, б), знаки мгновенных значений U[ и [7ц одинаковы, а в другой (не заштрихованной) - различны. В отрицательном полупериоде Lfi картина совпаде- ния и различия знаков обоих напряжений повторяется. Угол совпадения Фс, в пределах которого знаки У[ и [7ц совпадают, и соответствующее ему время совпадения знаков tc зависят от угла сдвига фаз ф (рис. 2.64, б): (рс = л - ф. (2.50) Подставив в (2.50) углы фс = wtc, ф = wtKC и л = иТ/2 и разде- лив все члены уравнения на о, найдем зависимость времени но
Рис. 2.64. Векторная диаграмма CJj и Ц\\ значений Vi и £/ц (б) Рис. 2.65. Зависимость времени совпадения от ф совпадения tc от ф: ____г _ fc - 2 - fHC Г Ф 2 Ы ’ (2.51) где tHC - время несовпадения фаз. Полученная зависимость tc = /(ф) представлена на рис. 2.65. При совпадении фаз (ф = 0) знаки мгновенных значений Uj и Ун будут совпадать в течение всего полупериода, при этом <рс = л, a tc = Т/2. С увеличением ф Фс и tc будут уменьшаться, становясь мень- ше л и Т/2. Когда фазы U\ и U\\ разойдутся на 180° (ф ~ л), зна- ки {/] и LZU будут различны в течение всего полупериода, и поэтому фс и tc равны нулю. Поскольку согласно (2.51) время совпадения фаз tc опреде- ляется углом ф, то оно, в свою очередь, характеризует значе- ние сдвига фаз ф. 2.19. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ НА ИМС Общие принципы выполнения. Поскольку отечественная промышленность выпускает полупроводниковые реле тока и напряжения на ИМС, ниже рассмотрены принципы построения ИО только на базе микросхем. Реле тока и напряжения относятся к ИО с одной воздей- ствующей и одной сравниваемой величинами. Принцип дей- Ш
Рис. 2.66. Структурная схема полупроводникового ИО с одной входной величиной ствия таких реле основан на сравнении абсолютного значения контролируемой входной величины (/или (7) с эталонной ве- личиной, соответствующей заданному значению контролиру- емой величины (тока или напряжения), при котором реле должно срабатывать. Воздействующая величина поступает с выхода измерительных ТТ или TH. Поскольку токи и напря- жения сети имеют синусоидальный характер, то для выполне- ния реле можно использовать либо мгновенные (амплитуд- ные) значения, либо среднее за период значение измеряемой величины. Действующие значения этих величин, как правило, не используются вследствие большей сложности схем их полу- чения. Наиболее распространенными являются ИО тока и напряжения, выполненные на выпрямленном токе (напряже- нии). Структурно-функциональная схема подобного реле изобра- жена на рис. 2.66. В этой схеме синусоидальный ток ip = /msinot поступает на вход промежуточного ТТ (ПТТ) или трансреак- тора, назначение и функции которых были пояснены при рас- смотрении структурной схемы полупроводниковых ИО. Выходной сигнал ПТТ в виде синусоидального напряже- ния V', пропорционального входному току ip (или (7р), посту- пает на вход диодного выпрямителя VS. Выпрямленное напря- жение, превращенное в пульсирующее напряжение, постоян- ное по знаку проходит через сглаживающий фильтр СФ, ко- торый обычно выполняется в виде контура RC. С выхода СФ выпрямленное напряжение со сглаженной пульсацией (| (7^1) поступает на основную часть ИО - схему сравнения, выполняемую в виде компаратора (ПУ) и РО, где происходит его сравнение с эталонным (пороговым) напряже- нием, имеющим постоянное значение (соответствующее за- данной уставке срабатывания реле). К входу 2 схемы сравнения ПУ подводится эталонное на- пряжение 17э (называемое также опорным (70П), с которым сравнивается значение контролируемого напряжения (7С. 112
Рис, 2.67. Измерительный орган на ИМС, реагирующий на среднее значение тока или напряжения: а — схема измерительного органа напряжения на операционном усилителе; б - входные цепи реле тока с промежуточным ТТ; е — то же с трансреактором; г - диаграмма, поясняющая принцип действия Напряжение Von соответствует значению тока ip, при котором реле должно срабатывать /ср. При] и’с \ > (70П( - /ср) на выходе ПУ появляется сигнал, поступающий на реагирующий орган РО. Последний усиливает входной сигнал и дает команду на от- ключение выключателя через ВЭ. Структурная схема реле напряжения отличается от рас- смотренной схемы только входным устройством, которое выпол- няется посредством промежуточного трансформатора напря- жения (ПТН) (по схеме на рис. 2.39,3). На вход ПТН поступа- ет синусоидальное напряжение (7р = Измерительный орган напряжения, реагирующий на сред- нее значение. На рис. 2.67, а приведена принципиальная схема ИО с одной подведенной величиной, которая состоит из сле- 113
дующих элементов: схемы, совмещающей функции восприни- мающего и формирующего элементов, включающей трансфор- матор TVL и выпрямитель VS со сглаживающим конденсато- ром СГ, порогового устройства и РО, выполненного в виде триг- гера Шмитта на ОУ. При отсутствии напряжения на входе ИО напряжение на И-входе ОУ равно нулю, а на Н-вход подается положительное С/оп, выделяемое на R2. При этом на выхо- де ОУ имеется +^выхтах^ опорное напряжение Соп опреде- ляется суммой токов через R4 и R3. До тех пор, пока ампли- туда напряжения между резистором R1 и нулевой шинкой оста- ется ниже С/оп, выходное напряжение на выходе ОУ не изме- няется, сохраняя положительную полярность. Когда упомяну- тая амплитуда превышает С70П (рис. 2.67, г), ОУ переключается, на его выходе появляется -^ВЫХтах’ ток в меняет направ- ление и С70П снижается до значения С70'п, которое выбирается несколько ниже минимального мгновенного значения напря- жения на С7. Благодаря этому мгновенное напряжение на И-входе в любой момент времени остается выше напряжения на Н-вхопе, и на выходе ОУ сохраняется значение - L/BbIxmax. Аналогично выполняется ИО тока, но в схеме формирова- ния используется преобразователь тока в напряжение. Это может быть разделительный трансреактор TAV (рис. 2.67, б), разделительный ТТ TAL, на вторичную обмотку которого включен резистор Ro и напряжение на нем прямо про- порционально току в первичной обмотке (рис. 2.67, е). К недостатку рассмотренного ИО относится отсутствие мер по повышению помехозащищенности. Такие реле можно при- менять в защитах, работающих с выдержкой времени. Для защиты входа ОУ при большом напряжении (или токе) на входе ИО служат диоды VD1 и VD2. Орган тока, реагирующий на полный ток фаз, построенный на времяимпульсном принципе сравнения. Большую помехо- защищенность можно получить при использовании сравнения времени наличия входного выпрямленного напряжения с временем его отсутствия tH. Орган тока (рис. 2.68), использующий этот принцип, состоит из промежуточного ТТ (ТАГ) или трансреактора; выпрямитель- ного моста VS; схемы сравнения в виде компаратора на ОУ АГ, интегрирующей цепи R5, R6, СГ, реагирующего элемента А2 в виде триггера Шмитта на ОУ и ВЭ в виде транзисторного уси- лителя на VT1 с малогабаритным реле KL1. При протекании в 114
Рис. 2.68. Орган тока, построенный на сравнении времени превышения Uon с временем его снижения: а — схема устройства; б — поясняющие диаграммы цепи TAL тока на резисторе R12 возникает напряжение U?al - = /р. Это напряжение поступает на выпрямитель VS и превра- щается в двухполупериодное, выпрямленное и несглаженное напряжение Uys> пропорциональное входному току 1р. Это напряжение поступает на И-вход А1. На Н-вход А1 пода- ется положительное 1/оп, снимаемое с делителя R2, R3, R4, включенного на напряжение источника Еп положительного знака. Поэтому, при V’v-S < С:оп выходное напряжение А1 — + ^выхтах" Если поступающая на И-вход амплитуда напряжения Uvs ниже [70П, то выходное напряжение А1 остается неизмен- ным. Под действием выходного напряжения АЦи^ двуханод- ный (стабилизирующий напряжение обеих полярностей) ста- 115
билитрон VD4 открыт током через R5. Диод VD3 закрыт, а кон- денсатор С1 заряжен проходящим через него током до поло- жительного напряжения стабилизатора: 1/с = 1/ст- Последнее подано на И-вход триггера А2. При этом на выходе Л2 будет дежурить напряжение - С/Оу тах> под действием которого по цепи ОС на Н-входе появится напряжение отрицательной полярности = - UBblxmaxRB/(Rs + Я9), соответствующее от- рицательному напряжению срабатывания триггера Шмитта. Диод VD5 открыт через резистор R10, транзистор VT1 закрыт, и реле KL1 обесточено. Это означает, что ИО не действует. Когда мгновенное значение выпрямленного напряжения пре- восходит 1У0П, А1 переключается, и во время превышения мгно- венным значением опорного напряжения С/оп на его выходе по- является -изъатах, что приводит к отпиранию VD3. Конденса- тор С1 перезаряжается с меньшей постоянной времени через ре- зистор R6, а после того как А1 возвращается в прежнее положе- ние, диод VD3 вновь запирается, и за время паузы конденса- тор С1 заряжается с большей постоянной времени. Если вре- мя tn мало, a tH велико, конденсатор успевает перезарядиться до нулевого или малого отрицательного напряжения, и триг- гер Шмитта на А2 и ИО не работают (рис. 2.68, б). По мере увеличения тока tn растет, a tH уменьшается. При этом увеличивается отрицательная амплитуда напряжения на С1. Когда j Uci 1 станет больше UcpA2, А2 переключается, на его выходе появляется напряжение положительного зна- ка UBbaA2 ~ +Umaxi и как следствие диод VD5 запирается, транзистор VT1 открывается, реле KL1 приходит в действие и замыкает свой контакт. ИО тока срабатывает. В связи с изменением знака выходного напряжения А2 (с на ”+”) происходит аналогичное изменение знака опор- ного напряжения С/е, приходящего по цепи ОС на Н-вход А2, что обеспечивает устойчивую работу ИО. При исчезновении тока КЗ, входное напряжение, обуслов- ленное током /р снижается до нуля или становится очень ма- лым. Тогда А1, а следовательно и А2 переключаются и под действием опорного напряжения происходит возврат реле. Регулировка уставки осуществляется изменением сопротив- ления резистора R4. Для отключения ложной работы при включении оперативного напряжения предусмотрен С2. Измерительный орган тока нулевой и обратной последова- тельностей. Орган тока нулевой последовательности являет- 116
Рис. 2.69. ИО тока нулевой последовательности ся основным элементом защиты линий от КЗ на землю. В се- тях СВН (300 кВ и выше) линии имеют большие длины и боль- шую емкостную проводимость, что обусловливает появление в переходных режимах возникающих при КЗ значительных апе- риодических и гармонических составляющих, под влиянием которых быстродействующие ИО защиты от замыканий на землю могут действовать неправильно. Для обеспечения пра- вильной работы защиты в рассматриваемом ИО тока предусмат- риваются частотные активные фильтры, пропускающие токи 50 Гц и запирающие прохождение через фильтр апериодиче- ской и гармонических составляющих. Схема подобного органа приведена на рис. 2.69. Входным элементом, как обычно в полупроводниковых ИО, служит преобразователь тока ПТТ. Контролируемый ток поступает на его вход через фильтр то- ков нулевой последовательности. Оба входных элемента (ПТТ и фильтр токов нулевой последовательности) на схеме не показаны. Выходной сигнал преобразователя ПТТ в виде на- пряжения ир, пропорционального току ЗТ0, поступает для уси- ления на инвертирующий (масштабный) усилитель А1. Для регулирования уставки ИО в цепи ОС масштабного усилителя предусмотрены резисторы R3-R6. Уровни входного и выходного напряжений в усилителе ограничиваются с помощью диодов VDJ, VD2 и VD3, VD4 соответственно. Активный частотный фильтр АФ выполняется на ОУ А2 в виде фильтра низких частот и полосового фильтра, запирающего прохождение то- ков высших гармоник. 117
С выхода АФ синусоидальное напряжение поступает на глав- ный элемент измерительной части схемы - двухпороговый компаратор АЗ, построенный по особой схеме на инвертиру- ющем усилителе. Входной сигнал через резистор R7 заводится на инвертирующий вход АЗ, цепь ООС выполнена в виде вы- прямительного диодного моста VS1, который получает пита- ние через параллельно включенные резисторы R8 и R10 от источника питания Еп = + 15 В и через параллельно включен- ные резисторы R9 и R11 от Еп = -15 В. С порогового элемента АЗ выходной сигнал поступает на схему, осуществляющую сравнение длительности превышения входным сигналом напряжения порога срабатывания с дли- тельностью пауз между ними. Эта схема состоит из входного диодного моста VS2, конденсатора С1 и компаратора А4. Сиг- нал с выхода А4 поступает на исполнительную часть схемы, состоящую из транзистора VT1, усиливающего входной сигнал измерительной части органа, диода VD14 и электромеханиче- ского (малогабаритного) реле KL1. Контакты последнего дают команду на элементы дальнейшей части защиты или непо- средственно на отключение выключателя. Работа ИО. Если сигнал на входе А1 Ь'вх = 0, то, как видно из рис. 2.69, входное и выходное напряжения на А1 и А2 отсут- ствуют. Нет сигнала и на входе и выходе порогового элемен- та АЗ. При этом все диоды моста VS1 открыты током lysi’ возникающим под действием напряжения источника питания 2ЕП. Этот ток замыкается по контуру, образованному парал- лельно включенными резисторами R8, R10 и R9, R11 и открыты- ми диодами VSL Пренебрегая (для упрощения) падением на- пряжения на открытых диодах моста, считаем, что сопротив- ление ООС равно нулю. Поэтому выходной сигнал у АЗ от- сутствует. Ток, открывающий диоды (без учета сопротивле- ний открытых диодов): В рассматриваемом режиме входной сигнал, поступающий через R12 на мост VS2, также отсутствует, но все диоды VS2 открыты током: ?VS2 = + 118
Ток 1у$2> проходя по всем диодам моста, замыкается по контуру резисторов R13 и R14. Конденсатор С1 заряжен до на- пряжения положительного знака и& = Uys2 (падение напря- жения в диодах VS2). Это напряжение поступает на И-вход компаратора АЗ, вызывая на его выходе сигнал максимально- го уровня ОУ, противоположного знаку (7ВЫХ = -U(yymax =* % 12 - 14 В. Под действием этого сигнала диод VD14 и транзи- стор VT1 закрыты, ток в KL1 отсутствует и ИО не действует. При появлении синусоидального входного сигнала в виде мгновенных значений напряжения положительной полувол- ны + С'вх меньше (7пор компаратора А4, появляется входной ток /вх = (7вх/Р7, где R-j - сопротивление входного резистора (через который подается сигнал на И-вход инвертирующего ОУ с ООС). Выходной сигнал инвертирующего усилителя опре- деляется с помощью коэффициента передачи (усиления) ”^ОС КуЦ = “^ОС^7’ ^ВЫХ = -----£- Пвх . Все диоды по-прежнему открыты током lysi- Входной ток /вх замыкается через открытые диоды VS1. Как видно из схемы, в диодах VD5 и VD9 1ЪХ направлен против IVSi (результирующий ток равен их разности), а в диодах VD6 и VD7 их направления совпадают. Таким образом, при токе /вх < IVS1 сопротивление и напряжение ОС равны нулю, поэтому состояния всех остальных элементов VS2, С1, АЗ остаются без изменения. При нарастании (7ВХ и /вх положительной полуволны может наступить момент равенства токов /вх = Ivsj. Тогда диоды VD5 и VD8 закроются. Это означает, что цепь ОС разомкнется, схема компаратора АЗ превратится в схему ОУ без ОС с нали- чием на входе сигнала UBX положительного знака. При малом увеличении Uax - ОУ АЗ переключается, и на его выходе возникает большое выходное напряжение, определяемое значением коэффициента усиления КОу: ^вых = ~ ^тахоу- Из сказанного следует, что порогом компаратора, при кото- ром он открывается, является ток Iv$i или выраженное в виде напряжения (7пор = IysiRT Выходное напряжение АЗ через резистор R12 поступает на мост VS2, это напряжение (отрицательного знака) запирает диоды VD11 и VD10 и через VD9 поступает на конденсатор С1 и инвертирующий вход А4. Знак напряжения на С1 меняет- ся на противоположный, и он перезаряжается через R14. Когда 119
напряжение положительного знака, 1/8Х достигает максимума и начинает уменьшаться. Если ширина импульса мала, то конденсатор С1 не успевает перезарядиться до нуля и выход- ное напряжение А4 остается отрицательным (VT1 и KL1 не действуют). Если 17вх увеличится и достигнет значения, при котором ширина импульса станет достаточной для перезаря- да С1 до нуля, а затем зарядится до + плюсом на неинвер- тирующем входе, - А4 переключится, на выходе появится на- пряжение положительного знака, транзистор VT1 откроется, напряжение на коллекторе снизится и реле KL1 сработает - ИО действует. После переключения А4 знаки на резисторах RIO, R11 изменяются (поскольку изменяются знаки на выхо- де А4 и коллекторе VT1). Как следствие этого, напряжение закрывания порогового элемента меньше напряжения его открывания; я, R1 = ^пит о и ип = - ^пит к8 - ИО работает как релейный элемент. При наступлении отри- цательной полуволны процесс повторяется с противополож- ными знаками. Аналогично выполняется реле обратной последователь- ности с частотным фильтром. 2.20. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ (РЕЛЕ) С ДВУМЯ ВХОДНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ К этой группе ИО относятся реле направления мощности (РНМ) и реле сопротивления (PC), входными величинами ко- торых являются напряжение и ток защищаемого объекта (Пр и 1Р). Для построения РНМ на ИМС используется в основном прин- цип сравнения фаз двух входных величин (Ц и 17ц), позволя- ющий получить большее быстродействие, чем у реле, постро- енных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индук- ционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ). В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух синусоидальных напряжений ult = /Cjl/p^sinftot + (р) и и2( = 120
= ^2^pmsinG3r, построенная на сопоставлении времени совпа- дения tcn однополярных мгновенных значений этих напряже- ний с заданным временем совпадения (уставкой) ^у, при кото- ром реле должно срабатывать. В §2.18 показано, что значение tHC определяется сдвигом фаз ф между сравниваемыми напря- жениями. Параметры элементов схемы подобраны так, чтобы реле на- чинало действовать, если время совпадения превышает чет- верть периода промышленной частоты, т. е. если tcn > ty. В данном реле это соответствует сдвигу фаз между Ц и [7ц, равному 90°. Особенностью фазосравнивающей схемы реле РМ-10 являет- ся разделение ее на две параллельные части - два канала прохождения сигналов сравниваемых напряжений. В одном измеряется время совпадения положительных значений Ц и Цр а в другом отрицательных мгновенных значений этих же напряжений. Такое разделение с последующим суммиро- ванием выходных сигналов обоих каналов устраняет влияние апериодической составляющей. Рассмотрим структурную схему реле, показанную на рис. 2.70, а. Напряжение (7р и ток от ТТ и TH поступают на вход блоков 1 и 2, являющихся промежуточными преобразова- телями напряжения и тока. В блоках 1 и 2 входные сигналы преобразуются в пропорциональные им напряжения Uy = = kyUp и у{ - kjlp, а затем напряжение Uy сдвигается по фазе относительно вектора [7р с помощью фазоповоротной схемы на некоторый постоянный угол «, a Uj проходит через фильтр, снижающий уровень высших гармоник. Сдвиг по фазе напря- жения Uy относительно V обеспечивает получение требу- емого угла максимальной чувствительности фмч и угловой характеристики срабатывания реле. В результате указанных преобразований на выходе блока 1 появляется напряжение U^ а блока 2-С/ц. Выходные напряжения L/j = Uy - &а = ktU и {7ц = к21р бло- ков 1 и 2 поступают на блоки 3 и 3' фазосравнивающей схемы (ФСС). Б-лок 3 выявляет и фиксирует совпадение мгновенных значений f/j и 17ц положительного знака, а блок 3' - тех же напряжений отрицательного знака. В интервале времени совпадения мгновенных значений и [7ц положительной полярности на выходе блока 3 появляется напряжение [7СП+ прямоугольной формы, а при совпадении отрицательных зна- 121
Рис. 2.10. Структурная схема репе направления мощности (а); диаграм- мы, поясняющие работу реле (б) чений такое же по форме и амплитуде напряжение Ц.п_ по- является на выходе блока 3 (рис. 2.70, б). Каждый из сигналов (£/сп+ и Ucn_) поступает на блоки 4 и 4’, которые являются интеграторами. Они выполняются в виде цепей RC4 и RC5 с одинаковыми значениями R и С. По мере заряда конденсаторов С4 и С5 на выходе соответствующего 222
интегратора появляются напряжения Uy+ = U^4 на 4 и = s &с5 на Значения Uy+ и L/[j_ пропорциональны длитель- ности положительных и отрицательных сигналов совпадения Uy+ = tcn+, a Ujj_ - tcn_. Каждое из этих напряжений нарастает на обкладках конденсаторов С интеграторов 4 и 4' по экспо- ненте, имеющей в начальной части линейный характер. После исчезновения напряжения, фиксирующего совпадение вход- ных величин (Цу+ и конденсатор интегратора разряжа- ется. С интеграторов оба напряжения приходят на вход аналого- вого сумматора (R16, R17), где происходит их сложение. На- пряжения Uu+ и U[j_, как и результирующее напряжение равное их сумме, имеют пилообразный характер (рис. 2.70, б). С выхода сумматора результирующее напряжение Пу под- водится к блоку 5 - реагирующему элементу РЭ фазосравни- вающей схемы ФСС, который выполняется в виде порогового компаратора релейного действия триггера Шмитта. Триггер срабатывает при появлении на его входе напряжения Uv = = С/оп, значение которого соответствует продолжительности времени совпадения tcn > 0,005 с (что имеет место, когда сдвиг фаз между СД и С/ц равен 90°). При этом условии > Uon порога триггера, и на выходе РЭ появляется сигнал от- рицательного знака Пвыхрэ = -Umax. Этот сигнал поступает на транзисторный усилитель 6, под действием которого проме- жуточное реле усилителя К срабатывает и замыкает контакт. Принципиальная фазосравнивающая схема реле РМ-11 приведена на рис. 2.71, в. Реле типа РМ-12 отличается от при- веденной схемы только в части схемы блоков 1 и 2, поскольку оно имеет регулировку чувствительности и другой <рм.ч. Схе- ма блока 1 (рис. 2.71, а) состоит из промежуточного трансформа- тора напряжений (TVL) и двух фазосдвигающих контуров Rl, С1 и С2, подключаемых ко вторичной обмотке 1VL пере- ключателями SB1, SB3 или SB2, SB4. Трансформатор TVL пре- образует Пр (блок 1) в пропорциональное ему напряжение требуемого уровня, а фазосдвигающие контуры обеспечи- вают получение одного из двух заданных значений угла мак- симальной чувствительности фм.ч = -35° (при замыкании SB1, SB3) и Фм.ч = -45° (при замыкании SB2 и SB4). Преобразо- ватель тока /р\(блок 2) состоит из промежуточного трансформа- тора тока (TAL), замкнутого на R2 (рис. 2.71,6). Напряжение на зажимах R2 пропорционально току 1Р и совпадает с ним 123
Рис. 2.71. Принципиальная схема реле направления мощности РМ-11: а, б - схемы входных блоков; в — фазосравнивающая схема; г — схема выходного блока по фазе. К TAL подключены: стабилитроны VD1 и VD2, ограни- чивающие напряжение на R2 при больших токах 1Р; контур R3, СЗ, VD3, VD4, осуществляющий коррекцию (рм.ч при иска- жении формы вторичного напряжения TAL; контур R4, С4, отфильтровывающий высшие гармоники в токе 1Р. В результате преобразования входных величин /Р и Ц, на выходе блока 1 появляется напряжение Ц, а блока 2 - Цр Эти напряжения поступают на ФСС (рис. 2.71, в), который осу- 124
ществляет фиксацию совпадения знаков сравниваемых на- пряжений Ц и измерение времени их совпадения tcn и сравнение его с заданным значением. Схему можно разделить на три части. Первой частью ФСС является схема, фиксирующая совпадение знаков мгновенных значений Ц и Цр Она выполнена на транзисторах VT1 и VT2, диодах VD3-VD6, резисторах R6-R9. Диоды VD3-VD6 испол- няют функции ключа, пропускающего на базы VT1 и VT2 управляющие их работой сигналы положительного знака, уро- вень которых зависит от сопротивлений R6-R9. Выходные сиг- налы схемы совпадения знаков сравниваемых напряжений U и U2 снимаются с коллекторов транзисторов VT1 и VT2 в точках К1 и К2 и поступают на вторую часть ФСС - интеграто- ры (блоки 4 и 4' на рис. 2.70, а), фиксирующие длительность совпадения знаков сравниваемых величин tcn. Интегратор, получающий сигнал с коллектора VT1, состоит из С4, R12, R14, VD9. Интегратор, связанный с коллектором VT2, состоит из С5, R13,R15, VD10. К выходу интеграторов (в точках тип) подключен диодный мост VS1, ограничивающий уровни напряжений, снимаемых с конденсаторов С4 и С5. Выходные сигналы интеграторов U(j4 и С'с5 поступают на суммирующие сопротивления RJ6 и R17 аналогового сумматора. Суммарное напряжение сни- маемое со средней точки сумматора, поступает на третью часть ФСС - инвертирующий вход порогового компаратора А1 с по- ложительной ОС (ПОС) (триггер Шмитта на ОУ). Обратная связь триггера А1 выполнена на делителе напряжения из R19, R21, R22 и диодах VD15 и VD16. В качестве порогового напряжения срабатывания Uonx и возврата 1/оп.в триггера на Н-вход ОУ подается напряжение, снимаемое с R21 и R22. Диоды VD/5 и VD16 разделяют цепи срабатывания и возврата. Выход триггера ОУ связан с выходным блоком (усилителем), состоящим из транзисторов VT3, VT4 и промежуточного реле типа РП-13 или геркона РПГ-5 (КЬГ) (рис. 2.71, г). Реле KL1 срабатывает при появлении на выходе триггера А1 сигнала отрицательного знака, означающего, что РНМ сработало. Фазосравнивающая схема и схема выходного блока питают- ся от стабилитронного делителя, включенного между плю- сом и минусом напряжения постоянного тока 220 или ПО В: на делителе имеются ответвления ± 28, + 10, -5 и 0 В. Преду- смотрена возможность использования в качестве источника 125
питания выпрямленного напряжения, получаемого с помощью комбинированного блока питания, включаемого на напряже- ние и ток сети. Работа элементов ФСС. При появлении входных сигналов Up и /р на входе схемы совпадения ФСС появляются сравни- ваемые напряжения Ц и [7ц. Поведение транзисторов VT1 и VT2 будет определяться состоянием диодов VD3-VD6, че- рез которые на базы транзисторов поступает управляющий сигнал с полярностью входных сигналов Ц и (7ц, приходящих на анодный вход диодов в точках а и Ь, си d. При положительной полуволне входного сигнала, напри- мер Ц, один вход источника сигнала (связанный с точкой Ь) в течение этого полупериода будет иметь положительный потенциал (+), потенциал второго входа а (относительно пер- вого) будет отрицательным (-) (рис. 2.71, в). При указанной полярности во время положительной полуволны диод VD5 будет открыт и через него на базу VT2 пройдет сумма двух положительных сигналов: от источника входного сигнала + Ц и от источника питания + ЕП. Диод VD3 будет заперт, так как точка а имеет отрицательный потенциал, под дейст- вием которого VT1 закрыт. Аналогично при положительной полярности [7ц (с учетом стрелки на рис. 2.71,6), показывающей направление положи- тельного напряжения [7ц, точка d связана с входом, имеющим положительный потенциал, поэтому диод VD6 будет открыт и пропустит суммарный положительный сигнал на базу тран- зистора VT2, под действием которого он будет открыт. Точка с связана с входом, имеющим отрицательный потенциал, следо- вательно, диод VD4 закрыт. Под действием отрицательного напряжения смещения (-$в) транзистор VT1 будет закрыт. Следовательно, при совпа- дении положительных знаков мгновенных значений Ц и [7ц один транзистор VT2 будет полностью открыт положительным напряжениям, поступающим на его базу через диоды VD5 и VD6, а второй транзистор VT1 будет заперт. При совпадении сравниваемых сигналов отрицательного знака стрелки, обозначающие полярность напряжений Ц и [7ц, будут направлены противоположно показанным на рис. 2.71, в, соответственно изменится полярность точек а, Ь, с, d. В результате этого транзистор VT1 откроется, a VT2 закро- ется. Таким образом, при совпадении знаков сравниваемых 126
напряжений (Ц и (7ц) во время положительных полуволн закрыт транзистор VT1 и открыт VT2, а во время отрицательных полуволн VT2 закрыт, VT1 открыт. При различной полярности сравниваемых входных сигналов оба транзистора будут открыты одновременно, при этом их выходные сигналы (напряжения на коллекторах) равны нулю. Во время опновременного открытия обоих транзисторов реле не должно работать, а при поочередном открытии VT1 и VT2 (одного - при совпадении положительных знаков Ц и (7ц, а второго - отрицательных) реле должно сработать, если про- должительность совпадения соответствует заданной (tcn = = t3), значение t3 определяется порогом срабатывания (70 триггера А1. Выходной сигнал схемы совпадения в виде напряжения и (7x2, снимаемого с коллекторов VT1 и VT2, приходит на интеграторы, измеряющие продолжительность сигналов: (7х; - совпадения сигналов положительного знака, (7x2 - от- рицательного. Работа интеграторов. Когда знаки сравниваемых на- пряжений совпадают, один из транзисторов будет закрыт и его выходное коллекторное напряжение в точке К1 (или К2) близко к напряжению Еп источника питания. В этом режиме выходное напряжение закрытого транзистора, поступившее на соответствующий интегратор, начинает заряжать его конден- сатор. Допустим, что совпадают положительные значения (7j и (7ц и закрыт транзистор VT1. Тогда под действием (7х/ заря- жается С4 током, проходящим по контуру, образованному R12, через точку К1 и открытый диод VD9. В это же время через второй открытый транзистор VT2 начинается разряд С5, по- скольку напряжение коллектора открытого транзистора (7x2 35 Ток разряда противоположен току заряда (разряд про- исходит по контуру R15, VT2, нулевая шинка, шинка + 10 В, нижняя обкладка конденсатора С5). Напряжение (7^4 на за- ряжающемся конденсаторе С4 нарастает, его конечное зна- чение зависит от времени совпадения tcn знаков Ц и (7ц в те- чение каждого полупериода промышленной частоты: (7С4 s - ^сп • Напряжение на разряжающемся С5 снижается, его конечное значение в пределах полупериода также зависит от tcn: Ucs ~ = 0,5Т- tcn (рис. 2.70, б). 127
После прекращения совпадения положительных полуволн VT1 снова открывается, С4 начинает разряжаться через R14 и открытый УТ7,диод VD9 в этом режиме закрыт. При совпадении по времени отрицательных полуволн и [7ц транзистор VT2 закрывается, С5 заряжается через R15 и диод VD9 (рис. 2.71, в). Заряд и разряд С4, С5 происходит по экспонен- циальному закону, но в начальной части экспонента имеет линейный характер, поэтому на диаграмме рис. 2.70, б харак- тер изменения Vc4 и Ucs показан в виде прямых линий. Выходное напряжение интеграторов UC4) UcS приходит на сумматор из R16 и R17 и с их общей точки I поступает на инте- грирующий вход А1 триггера Шмитта. Сопротивление R16 = = R17, поэтому суммарное напряжение точки Т. равно полу- сумме напряжений конденсаторов С'у = 0,5(UC4 + П^)- Пока напряжение Ur, поступающее на И-вход А1, меньше опорного напряжения, установившегося на Н-входе (17Оп.с = = Un2i)> на выходе А1 остается неизменным напряжение поло- жительной полярности (7ВЬ1Хд2 - + Umax- Опорное напряжение выбирается так, чтобы реле начинало работать при сдвиге фаз ф между U[ и Цц, равном 90°, чему соответствует время совпадения, равное четверти периода промышленной частоты, т. е. tcn = 0,005 с. При сдвиге фаз ф = 90°, но меньше 270°, напря- жение на И-входе становится равным или больше опорного: (70п- При достижении этого уровня триггер А1 переклю- чается, и на его выходе вместо положительного сигнала по- является ЦэыхА! ~ ~ Umax, имеющее отрицательный знак. Это напряжение поступает на базу транзистора VT3 выходно- го блока (рис. 2.71, г), транзистор закрывается и дешунтирует обмотку (реле) KL1, оно срабатывает и подает командный вы- ходной сигнал о действии РНМ. После срабатывания А1 и появления на его выходе напряже- ния отрицательной полярности Umax диод VD15 закрывается (рис. 2.71,е), a VD16 открывается. В результате этого на Н-входе появляется новое пороговое напряжение Ur22- Это напряжение определяет уровень напряжения на И-входе, необходимого для возврата триггера А1 в исходное состояние. Пороговое на- пряжение возврата (7ОП.В выбирается ниже [70ПфС, чтобы обеспе- чить непрерывность выходного сигнала А1, когда входной сигнал Uv пилообразной формы близок к напряжению сраба- тывания С70ПфС. 128
Ограничитель напряжения. При заряде С4 и С5 (рис. 2.71, в) уровень напряжения между их обкладками (Uc4, Uc5) зависит от значения tcn и будет наибольшим при ф = О, т. е. когда фазы 17] и LJn совпадают, а сдвиг фаз между Up и / равен <рм ч (в этом случае £сп = 0,5 периода). Для ограниче- ния роста напряжения Uc используется мост VS1. Напряжения ус4 и ^С5 подаются на точки тип моста (рис. 2.71, в). Два других зажима моста подключаются: один - к шинке +10 В, второй - к резистору R23. Допустим, что идет заряд С4. Пока UC4 мало, диоды VD11 и VD12 моста VS1 заперты положитель- ным напряжением (723, поступающим с R23, - это напряжение является предельным 17огр} ограничивающим верхнее значе- ние Uc4‘ Как только нарастающее напряжение Uc4 достигает уровня 17огр = диод VD12 моста открывается и рост напря- жения на С4 останавливается на уровне Vc4 - С70гр + С7Д, где L/д - падение напряжения в открытом диоде. Аналогично происходит ограничение ус5 на конденсаторе С5 с помощью диода VD11. Ограничитель VS1 используется в схеме реле и при разряде конденсаторов для ограничения минимального уровня. Как видно из схемы (рис. 2.71, е), нижняя обкладка конденсаторов С4 и С5 жестко соединена с шинкой +10 В, а верхняя связана с точками тип диодного моста. При полном открытии одного из транзисторов схемы совпадения, напри- мер VT1, на конденсаторе С4 появится напряжение 17К1 = 0, и он начнет разряжаться. Тогда диод VD14 моста VS1 откроет- ся и зашунтирует С4, так как анодный вход диода VD114 соединен с шинкой +10 В, а точка п моста получила нулевой потенциал. Следовательно, предельным уровнем напряжения при разряде С4 будет падение напряжения в открытом диоде VD14, взятое с обратным знаком. При разряде С5 предельным значением Vcs будет падение напряжения в открытом диоде VD13, взятое с обратным знаком. Основными параметрами реле РМ-11 являются: время сра- батывания при ф = фм.ч = 30 мс; чувствительность t7p.cp = 0,25 В; ток срабатывания 1с<р = 0,251НОМ; потребление цепи переменно- го тока т = 0,15 В • А, переменного напряжения £ц н = 0,1 В • А, цепей оперативного тока S0.T = 10 Вт.
2.21. ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКОЙ И ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЧАСТЕЙ УСТРОЙСТВ РЗ Элементы логической части (ЛЧ). Основными компонен- тами ЛЧ являются логические элементы (ЛЭ), выполняющие типовые логические операции: органов времени (ОВ), сиг- нальных органов, органов памяти, продлевающих действие выходного сигнала элемента, триггеров, используемых как двухпозиционные элементы, и др. В релейно-контактных устройствах все эти элементы выпол- няются на электромеханических реле, в статических бескон- тактных - на базе полупроводниковых приборов, первоначаль- но в неинтегральном, а в последнее время в интегральном исполнении. В бесконтактных схемах в качестве входных и выходных сигналов используются напряжения двух различных уровней в виде кратковременных импульсов или продолжительного сигнала, сохраняющего свое значение до тех пор, пока не из- менится входной сигнал. Последний вид сигналов, называ- емый потенциальным, в основном и применяется в устрой- ствах РЗ. Логические элементы. Органы логики условно изображаются в виде прямоугольника (рис. 2.72), который имеет несколько входов и один выход. На входы приходят сигналы X от ИО или от других элементов ЛЧ. К выходу Y ЛЭ подключается нагруз- ка из одного или нескольких элементов ЛЧ. Кроме этого, ЛЭ имеет два входа для подачи напряжения от источника пита- ния постоянного тока: один вход + Ел (5-15 В) и второй - под- соединяемый к шинке нулевого потенциала логической схе- мы. Под воздействием входных сигналов каждый ЛЭ выполня- ет определенную логическую операцию: Y = Ж, Х2,..„ Хп). (2.52) Органы логики имеют проходную характеристику Y = /(X), аналогичную приведенной для реле на рис. 1.14. бесконтакт- ные ЛЭ могут выполняться на полупроводниковых элементах с релейной характеристикой или на элементах, работающих в режиме переключения. Такими элементами в бесконтактных схемах являются транзисторы, работающие в двух конечных режимах: отсечки и насыщения. Выходной сигнал ЛЭ, как у всякого реле или элемента релей- ного действия, носит дискретный прерывистый характер; 130
/г X, Х,Хг или к ИЛИ-НЕ И- НЕ 2 J 4* s £ 7 0 С 0 О О 1 7 7 0 0 1 0 О 7 7 7 0 1 О О 7 1 1 1 1 1 0 Q Рис. 2.72. Логические элементы: а — условное изображение логического элемента; б — таблица соответствия для разных видов логических элементов он имеет два значения; одно - соответствующее действию и второе - недействию ЛЭ, переход из одного состояния в другое происходит практически мгновенно. Входные сигналы ЛЭ также имеют два значения и всегда дискретны. Учитывая эту особенность ЛЭ, условились обозначать уровни их значений цифровыми (логическими) символами: 0 и 1. У бесконтактных ЛЭ логическим нулем 0 обозначаются входные и выходные напряжения низшего уровня, равные или близкие к нулю, а логической единицей 1 - сигналы высокого уровня, близкие к напряжению источника, питающего элемен- ты ЛЧ. У контактных ЛЭ 0 соответствует разомкнутому со- стоянию контактов, 1 - замкнутому. Принято логические операции, выполняемые бесконтакт- ными ЛЭ, указывать для положительной логики, т. е. когда логический нуль на входе соответствует исходному положе- нию органа, а срабатывание происходит при подаче единич- ных входных сигналов. По характеру преобразования входного сигнала в выходной ЛЭ подразделяются на неинвертирующие и инвертирующие уровни выходных сигналов. У неинверти- рующего ЛЭ выходной сигнал равен логической 1 при входном сигнале, равном 1 и 0, если входной сигнал равен логическо- му 0. У инвертирующего ЛЭ уровень выходного сигнала всегда противоположен входному: при UBX = 1 17ВЬ1Х = 0 и наоборот. В отличие от ИО к ЛЭ не предъявляется требование высокой точности уровня входных напряжений при срабатывании и возврате. От них требуется лишь четкое различение единич- ного сигнала от нулевого. Важным требованием является надежная отстройка от помех, исключающая их ложное дей- 131
Рис. 2.73. Логический элемент ИЛИ: а - условное изображение; б - на полупроводниковых элементах; в - на электромеханических реле; г — таблица соответствия ствие, и надежное срабатывание при допустимых колебаниях напряжения источника питания. Для облегчения проектирования и анализа схем была пред- ложена теория их построения, основанная на использовании математических дисциплин, в первую очередь алгебры логики (АЛ)1. В алгебре логики буквенными символами (А, В, С ...) обозначаются переменные величины и их функции, но, в от- личие от обычной алгебры, переменные АЛ могут иметь толь- ко два различных значения, условно обозначаемые цифрами О и 1. Над переменными величинами АЛ производятся опера- ции, которые записываются в виде алгебраических уравнений и формул. Основными в АЛ являются три элементарные логи- ческие операции: сложение, умножение, инверсия, называ- емые сокращенно, как и в формальной логике, ИЛИ, И, НЕ. Переменные величины этих выражений и их функции долж- ны рассматриваться как значения входных и выходных сигна- лов ЛЭ. Первые будут обозначаться буквами Х15 Х2, ..., Хп, а вторые буквой У. Будем считать, что логические символы 0 и 1 обозначают соответственно низкий и высокий уровень и и что ор- ганы логики срабатывают - выполняют свои логические опе- рации - при изменении входных сигналов с 0 на 1 и возвраща- ются в исходное состояние при их изменении с 1 на 0. Логический элемент ИЛИ (рис. 2.73) приходит в действие и его выходной сигнал У изменяется с нулевого уровня на еди- 1 Алгебра логики разработана ирландским математиком Д. Булем и часто именуется Булевой алгеброй — она рассматривает логические функции двоич- ных переменных и операций с ними. 132
ничный, если хотя бы один из входных сигналов (Х\, или Х2, или Х3) равен логической 1. Если же все входные сигналы Хх, Х2 и Х3 равны 0, то и вы- ходной сигнал Y = 0 - это означает, что ЛЭ ИЛИ не действует и находится в исходном состоянии. При всех других сочетаниях значений входных сигналов Y = 1 (см. таблицу соответствия на рис.2.73, е). Элемент ИЛИ, как показано на рис. 2.73, а, изображается на чертежах прямоугольником с цифрой 1 внутри него либо обо- значается буквенным символом DW. Электронный бесконтактный ЛЭ ИЛИ может выполняться на резисторах, диодах, транзисторах. На рис. 2.73, б приведена простейшая схема ИЛИ на диодах VD1-VD3. Входные сигналы Х15 Х2, Х3 поступают на анодные входы диодов VD1, VD2, VD3. Выходом схемы является точка У, к которой подключается нагрузка 7?н при входных сигналах на уровне логического 0, недостаточного для открытия диодов, выходной сигнал У = 0. В случае появления на одном из вхо- дов, например входе 2, единичного сигнала Х2 = 1 в виде на- пряжения положительного знака + С7ВХ2 % Ьп» диод VD2 от- крывается и на выходе схемы (в точке У) появляется напря- жение (с учетом нагрузки Рн) (7ВЫХ = (7ВХ1 (пренебрегаем паде- нием напряжения в сопротивлении /?о.д открытого диода). При подаче одинакового напряжения Uax Е^ положитель- ного знака одновременно на все три входа выходное напряже- ние будет таким же, как и в предыдущем случае. На рис. 2.73,в приведена контактная схема ИЛИ, которая состоит из трех промежуточных реле KL1, KL2, KL3. Контакты реле соединены параллельно, а входные сигналы X , Х2, Хэ подаются на их обмотки в виде напряжения Е^. В аналитиче- ской форме операция ИЛИ, называемая в АЛ операцией логического сложения, обозначается символическими знаками ”V ” либо ” + ” и записывается в виде уравнения y = X1VX2VX3, либо У=Х1+Х2+Х3. (2.53) Значения выходного сигнала в зависимости от всех возмож- ных сочетаний значений X (0 и 1) даны в графах 1, 2, 3 таблицы соответствия на рис. 2.73, г. Логический элемент И (рис. 2.74) приходит в действие и на его выходе возникает сигнал У = 1 только при условии, что на всех входах ЛЭ появляется сигнал, равный 1, например: на ЛЭ 133
Рис. 2.74. Логический элемент И: а - условное изображение; 6 — на электромеханических реле; в — на полу- проводниковых элементах; г — таблица соответствия с тремя входами (рис. 2.74, в) Y ~ 1, если и Хр и Х2, и Х3 рав- ны 1. Если же хотя бы один из входных сигналов равен логиче- скому 0, то и выходной сигнал Y = 0. На чертежах (рис. 2.74, а) ЛЭ И обозначается значком & внутри прямоугольника или бук- вами DX. На рис. 2.74, б приведен пример контактной схемы И с тремя входными сигналами. Схема состоит из трех промежуточных реле KL1-KL3, контакты которых соединены последователь- но. Бесконтактная схема И с тремя входами Х1? Х2, Х3, построенная на полупроводниковых диодах, приведена на рис. 2.74, в. Если на входы схемы (т. е. на диоды VD1, VD2, VD3) поступят одновременно единичные сигналы в виде напряже- ния 17ВХ1, 17ВХ2, 17вхз положительного знака, превышающие опор- ные напряжения Еоп, то все диоды будут заперты. В этом слу- чае на выходе схемы (в точке У) появится напряжение 17вых = = Цэп (логическая 1). Если хотя бы на одном входе, например на ХП появится сигнал низкого уровня (логический 0), при котором UBX < Еоп, то диод VD1 откроется и на выходе схемы появится потенциал 17вых - 17°. В аналитической форме опера- ция И записывается по правилам логического умножения АЛ и обозначается в АЛ символическим знаком ”А” или и за- писывается для органа И с п входными сигналами в виде урав- нения: Y = Хх А Х2 А Х3. либо У = Xj • Х2 • Х3. В таблице со- стояния для ЛЭ И с тремя входными сигналами значения Y - X А Х2 А Хз при всех возможных сочетаниях X , Х2, Х3 (0 и 1) приведены в таблице на рис. 2.74, г. Логический элемент НЕ преобразует входной сигнал в вы- ходной так, чтобы он имел логическое значение, противопо- ложное входному. Выходной сигнал (рис. 2.75, а), равный логи- ческой 1, возникает, когда входной сигнал X равен логическо- 134
Рис. 2.75. Логический элемент НЕ: а — условное изображение; б — на электромеханических реле; в - на полу- проводниковых элементах му 0, и наоборот, У == 0, если X = 1. Логический элемент НЕ изображается в виде прямоугольника с одним входом (рис. 2.75, а), инвертирование выходного сигнала обозначается кружочком в месте его выхода или буквами DU. Контактная схема НЕ выполняется с помощью промежуточ- ного реле KL1 с нормально замкнутыми контактами (рис.2.76,б). Бесконтактный орган НЕ наиболее просто выполняется по- средством транзистора VT1 (рис. 2.75, в), включенного по схеме с общим эмиттером и работающего в двух предельных режимах: насыщения или отсечки. Нормально эмиттер транзистора VT1 (типа п-р-п) связан с шинкой нулевого потенциала, коллектор - с 4-Еи источника питания, входной сигнал 17вх подается на базу. Если 17вх соответствует логическому 0, то транзистор VT1 за- крыт под воздействием напряжения смещения и находится в режиме отсечки. При этом выходное напряжение транзистора 17вых т. е- значение выходного сигнала У соответствует логической 1. При подаче на вход X логической 1 в виде положительного напряжения + 1/вх > транзистор открывается - переходит в режим насыщения и шунтирует выход схемы, 17вых падает до нуля (сигнал У=1). Операции, выполняемой логическим элементом НЕ в АЛ, соответствует операция отрицания или инверсии, она обозна- чается чертой над инвертируемой величиной X и записывает- ся в виде формулы У = X. (2.54) 135
ИЛИ-НЕ И-НЕ У^Х^Х^Х,, а) У=Х,-Хг-Х3 5) Рис. 2.76. Построение логических схем на основе одного комбинированного логического элемента: а — логический элемент ИЛИ-НЕ; б — логический элемент И—НЕ; в - орган И—НЕ; г—орган ИЛИ-НЕ Формула читается: У равен не X, т. е. выходной сигнал У равен противоположному по уровню входного сигналу. По пра- вилам АЛ, совпадающим с правилом действия ЛЭ НЕ, У = 1, если X - 0 и наоборот. Комплект рассмотренных органов логики ИЛИ, И, НЕ доста- точен для построения любых логических схем РЗ. Применяя в различном сочетании ЛЭ ИЛИ, И, НЕ, можно получить логи- ческую схему любой РЗ, действующей без замедления (с t = = 0), а с добавлением органов времени любой РЗ, работающей с выдержкой времени. Построение логических схем возможно также на основе од- ного комбинированного ЛЭ, выполняющего операцию ИЛИ-НЕ либо И-НЕ (рис. 2.76). Орган И-НЕ получается путем сочетания в единой схеме ЛЭ И с ЛЭ НЕ, как показано на рис. 2.76, в. Вход- ные сигналы Хп Х2, Хэ вызывают появление сигналов на выхо- де элемента И: У' = Хх • Х2 • Х3. Получив этот сигнал, элемент НЕ осуществляет его инвертирование, в результате которого на выходе органа И-НЕ возникает сигнал У = У' = Xt Л Х2 Л Х3. По правилам АЛ операция И-НЕ записывается в виде формулы У = Х^Л Х2 Л Хэ, либо У = Хх Х2 Х3. (2.55) Зависимость выходного сигнала У от значений входных да- на в графах 1, 2, 3, 7 таблицы соответствий (см. рис. 2.72, б). Орган ИЛИ-НЕ получается путем сочетания схем органов ИЛИ и НЕ (рис. 2.76, г). Операция ИЛИ-НЕ записывается в виде уравнения У = X, VX2 V хз, либо У= Xt + Х2 +Х3. (2.56) 136
Рис. 2.77. Логические схемы, построенные на одном комбинированном логиче- ском элементе Таблица состояний для органа ИЛИ-НЕ дана в графах 1, 2, 3, 6 (рис. 2.72, б): оба органа И-НЕ и ИЛИ-НЕ относятся к числу инвертирующих, так как их выходные сигналы всегда про- тивоположны по уровню вызывающим их входным сигналам. Логическая схема любой сложности может быть выполнена с помощью одного ЛЭ И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, поскольку на основе каждого из этих органов можно осуществить элементарные логические операции ИЛИ, И, НЕ (рис. 2.77). Из рис. 2.77 видно, что схемы, построенные на одном комби- нированном ЛЭ, будут иметь больше элементов, однако при этом уменьшается количество типов ЛЭ (один элемент вме- сто трех), что удешевляет их массовое производство, поэтому комбинированные элементы на ИМС получили распростране- ние. В основном используются схемы И-НЕ, которые имеют преимущества технологического характера по сравнению с изготовлением ИЛИ-НЕ. Формулы и положения АЛ можно применять при рассмотре- нии логических схем РЗ, действующих без замедления, у ко- торых выходные сигналы ЛЭ зависят только от сочетания од- новременно возникающих входных сигналов X. Такие опера- ЛЭ и логические функции У = f(.Xlf Х2, Хэ) принято называть комбинационными или однотактными, в отличие от мно- готактных, содержащих элементы времени и памяти. Для РЗ, действующих с замедлением (многотактных), АЛ может использоваться для аналитического описания всех операций, лишь с дополнениями, учитывающими в составе формул логи- ческие операции времени. 137
2.22. ОРГАНЫ ЛОГИКИ НА ИМС Для выполнения ЛЭ используются цифровые ИМС, предна- значенные для преобразования входных двоичных сигналов высокого и низкого уровней (1 и 0) в дискретные выходные сиг- налы. По выполняемым функциям цифровые микросхемы мож- но подразделить на схемы, выполняющие логические операции И-НЕ либо ИЛИ-HE, И, НЕ, ИЛИ (логические схемы), и на схемы функциональных узлов (триггеры, счетчики, дешифра- торы и др,). Эта группа ИМС выполняется в виде различных сочетаний типовых логических схем. На чертежах микросхемы изображаются и обозначаются так же, как и соответствующие им логические элементы (см. рис. 2.72). Как правило, одна микросхема обычно состоит из несколь- ких однотипных логических схем. При этом каждая схема име- ет выведенные из корпуса входы и выходы и два общих для всех схем вывода для подсоединения источника питания (рис. 2.78, а). При таком исполнении каждая из схем, входящих в микросхему, может использоваться как самостоятельный ЛЭ в разных частях логической схемы РЗ. Свойства логических микросхем характеризуются парамет- рами, которые приводятся для разных типовых микросхем в справочниках по ИМС. Для устройства РЗ наиболее важными являются следующие параметры: помехоустойчивость, определяемая значением наибольшего допустимого напряжения (7П0Мmax’ поступающего на вход микросхемы, при котором не происходит ее переключения из исходного состояния в состояние срабатывания и наоборот; Рис. 2.78. Микросхема, выполняющая операцию И—НЕ: а — микросхема с четырьмя двухвходовыми схемами; б — корпус микросхемы с выведенными выводами 138
мощность, потребляемая от источника питания при дейст- вии и недействии микросхемы; нагрузочная способность микросхемы, характеризуемая чис- лом микросхем, аналогичных рассматриваемой, которые мож- но подключить к ее выходу; коэффициент объединения по входу, определяющий наи- большее число входных сигналов, которые можно допустить для данной микросхемы. Промышленность выпускает цифровые ИМС в виде серий, содержащих по несколько различных по функциям микро- схем (до 10 и более). Серии различаются по составу входящих в них микросхем и по их параметрам. Схемы одной серии име- ют одинаковое конструктивно-технологическое исполнение и могут соединяться последовательно друг с другом (выход с входом) без согласующих элементов. Каждая серия имеет базовую логическую схему, на основе которой выполняются все микросхемы, входящие в серию. В логических и функциональных устройствах РЗ, выпус- каемых и подготовляемых к выпуску заводом ЧЭАЗ, исполь- зуются микросхемы в основном серий К511 и KI55 на биполяр- ных транзисторах, а также К176 на КМОП. Логические микро- схемы первых двух серий выполняются на базовой схеме И-НЕ. Серия МС К 176 использует схемы, выполняющие операции И либо ИЛИ. Все разновидности этих схем имеют общую структуру, при- веденную на рис. 2.76, в, г. Они состоят из двух основных эле- ментов (схем): одного - выполняющего операцию И, второго - выполняющего операцию НЕ. Последняя всегда реализуется по схеме транзисторного инвертора, выполняющего одновре- менно функцию усиления выходного сигнала и формирования уровня выходного сигнала. Операция И обычно выполняется на резисторах, диодах или транзисторах. Исходя из элементов, на базе которых выполняются логиче- ские элементы И или НЕ, логические схемы подразделяются на резисторно-транзисторные ИМС, диодно-транзисторные ло- гические устройства (ДТЛ) и транзисторно-транзисторные (ТТЛ). Диодно-транзисторный ЛЭ И-НЕ. На рис. 2.79 показан ЛЭ на микросхеме ДТЛ. Схема состоит из элементов И, НЕ и смеще- ния. Элемент И состоит из трех диодов VD1, VD2, VD3 (по чис- лу входных сигналов) и резистора R1, через который на выход схемы И (в точке т) подается опорное напряжение положитель- ного знака + ЕП от источника питания. 11 1 70
Рис. 2.79. Диодно-транзисторный логический элемент И—НЕ Элемент НЕ выполнен в виде однокаскадного инвертора на транзисторе VT1, на базу которого подается сигнал (напряже- ние 1/у) с выхода схемы И. Он преобразуется транзистором VT1 в выходной сигнал (УВых (точка Y) с инвертированием его уровня. В цепь базы VT1 включены два диода, называемые диодами смещения VD1CM и УО2см. Эти диоды увеличивают пороговое напряжение, необходимое для открытия транзисто- ра VT1 и срабатывания ЛЭ микросхемы, повышая этим от- стройку элемента микросхемы от помех: Ут = 2(/от.д + (7э б V71 , где 1/от.я и 14л VT1 ” напряжения открытия диода и эмиттер- ного перехода VT1 соответственно. Напряжение, необходимое для открытия кремниевых дио- дов, 1/ст.д = 0,5 + 0,6 В, а для открытия транзистора (70Т уп = = 0,4 0,5 В. Следовательно, Um = 1,4 * 1,7 В, а при отсутствии диодов Um - 0,5 * 0,6 В. Допустим, что на всех входах одновременно появились еди- ничные сигналы в виде напряжения высокого уровня Евх =» % Еп. Тогда на выходе элемента И (в точке гл) возникает напря- жение Um > 0- Параметры схемы (jRx, jR3, Еп) подбираются так, чтобы это напряжение превосходило напряжение (1,2-1,4 В), необходимое для открытия диодов смещения и появления на базе VT1 потенциала U$ = IjRj, достаточного для открытия транзистора инвертора для перехода его в режим полного на- сыщения. При этом на выходе схемы И-НЕ в точке У устано- вится малое напряжение нулевого уровня UBblx = 0,2 * 0,4 В. Таким образом, при появлении единичных сигналов на всех входах рассматриваемой схемы на ее выходе появляется сиг- нал нулевого уровня. Это означает, что микросхема выполняет логическую операцию И-НЕ. 140
Для возврата схемы в исходное состояние необходимо по» дать хотя бы на один из диодов (например, на вход 3) сигнал на уровне логического 0, т. е. напряжение t/вхэ» близкое к нулю. Диод VD3 открывается, и потенциал выхода И (точка т) скач- ком изменяется от единичного значения до нулевого (от Um до Um ) При этом диоды смещения закрываются, ток и напряжение базы VT1 падают до нуля - транзистор закрыва- ется. При закрытом транзисторе потенциал на выходе органа И-НЕ (в точке У) увеличивается скачком до высокого уровня. Как видно из рис. 2.79, при отсутствии нагрузки Uy = и£ых = = Еп, а при наличии нагрузки RK U^blx = /НЕН = т’ £nD Ен- Таким °к + °н образом, при наличии нулевого сигнала на одном, на несколь- ких или на всех входах ЛЭ И-НЕ переходит в состояние недей- ствия. При негативной логике, когда в качестве сигнала, при- водящего в действие логическую схему, принимается нулевой (а не единичный) уровень входного сигнала, рассмотренная схема будет выполнять операцию ИЛИ-HE. Достоинством ло- гических схем ДТЛ является относительная простота. Органы логики И-НЕ на транзисторно-транзисторных ИМС. В микросхемах ТТЛ элемент И, входящий в состав схемы И-НЕ, может выполняться либо на обычных транзисторах ИМС, либо на интегральных транзисторах особой конструкции - много- эмиттерных, которые имеют до восьми эмиттеров, общую базу и один коллектор. База состоит из активных областей (их чис- ло равно числу эмиттеров), образующих переходы база-эмит- тер и пассивных участков, разделяющих эти переходы для исключения их воздействия друг на друга. Преимуществом многоэмиттерных транзисторов является уменьшение занима- емой ими площади и улучшение некоторых параметров ИМС. В схемах ТТЛ для построения элемента И в основном приме- няются многоэмиттерные транзисторы. Обычные транзисторы (с одним эмиттером) используются для выполнения операции И в схемах ТТЛ лишь для получения микросхем с повышенной помехоустойчивостью (с высоким порогом переключения). Микросхемы на обычных транзисторах получают питание от источников до 15-20 В вместо 5-6 В, являющихся предельными для многоэмиттерных транзисторов. Чем выше напряжение питания Еп, тем большим может быть порог переключения, Т. е. входное напряжение единичного уровня U£x, при котором 141
Рис. 2.80. Орган логики на высокопороговой микросхеме происходит переключение логического элемента. С увеличе- нием Ел повышается уровень допустимой помехи. Высокопо- роговые микросхемы получили широкое применение в РЗ. Органы логики на высокопороговых микросхемах. На рис. 2.80 приведена высокопороговая микросхема с четырьмя входами. Элемент И микросхемы выполнен на транзисторах типа р-п-р, включаемых по схеме эмиттерного повторителя. Число тран- зисторов равно числу входных сигналов. Входные сигналы Х1-Х4 приходят на базу соответствующего транзистора (VTI- VT4). Выходной сигнал возникает между эмиттером транзис- тора и нулевой шинкой. Эмиттеры соединены между собой в точке гл, которая является выходом элемента И. На эту точ- ку через R1 и R2 подается опорное напряжение Ел = + 15 В. Коллекторы всех транзисторов объединены и подключены к общей шинке нулевого потенциала. Элемент НЕ выполнен с помощью транзисторного инверто- ра в виде двухкаскадного усилителя на VT6 и VT7. Инвертиро- вание сигнала, получаемого с элемента И, осуществляется VT6, а дополнительное усиление мощности выходного сигнала VT7, который включается по схеме эмиттерного повторителя. Такое включение позволяет также уменьшить выходное со- противление схемы И-НЕ. В состав инвертора входят R3-R5 142
и диод VD3. Кроме элементов И и НЕ в схеме предусмотрены транзистор VT5 и стабилитрон VD2, который устанавливается вместо диодов смещения для повышения порога срабатывания и помехоустойчивости. Для прохождения сигнала, открыва- ющего VT6 и вызывающего срабатывание ЛЭ, входное напря- жение должно стать больше обратного напряжения, открыва- ющего VD2. У кремниевого стабилитрона это напряжение Мзб.ст - 6,8 * 7 В, что и позволяет повысить уровень допустимых помех. Транзистор VT5 предназначен для усиления тока, поступа- ющего на базу инвертора VT6, до значения, обеспечивающего его переход в режим полного насыщения, что необходимо для получения на выходе дхемы (на зажиме Y) напряжения (7ВЫХ на уровне логического нуля (0,5-0,6 В). Для открытия транзистора VT6 на выходе элемента И в точ- ке m не должно появиться напряжение, равное или большее суммы напряжений, необходимых для открытия VT5, VD2 и VT6, т. е. Цп = 0,5 + 7 + 0,5 = 8 В. Это напряжение является порогом чувствительности рассматриваемой микросхемы ((Упор = Urn)' Входное напряжение, необходимое для срабатыва- ния ЛЭ, L7BX.cp должно быть больше порогового напряжения L^nop- Нормальное значение соответствующее уровню ло- гической 1, целесообразно принять равным 10-12 В с некоторым запасом по отношению к значению 14х.ср, учитывая возмож- ность его понижения при колебании напряжения питания. Если единичное напряжение на входе (в рассматриваемом случае на Х2) станет меньше своего нормального значения (12-13 В), то до тех пор, пока UBX остается больше 1/Пор (8 В), VT2 остается закрытым. При уменьшении L'BX ниже UnOp (8 В) элемент переключается, транзистор VT2 начинает открываться. По мере уменьшения (которое при U < 8 В соответствует нулевому уровню) входной ток возрастает и при Ubx 88 0 достигает максимума, VT2 переходит в режим насыщения, при котором /вх тах == 0,1 + 0,15 мА. Действие микросхемы. Если на все входы микросхемы (рис. 2.80) поданы единичные сигналы в виде напряжения по- ложительного знака единичного уровня UBX, близкие к Еп, то эмиттерные переходы транзисторов элемента И VT1-VT4 типа р-п-р смещаются в обратном направлении, при этом все транзи- сторы схемы И будут заперты. В этом режиме на выходе схемы И 143
в точке т устанавливается напряжение положительного знака на уровне 1, поступающее на базу VT5 (рис. 2.80). Сопротивления резисторов R1 и R2 подобраны так, чтобы значение Um было больше суммы напряжений, необходимых для открытия транзистора VT5, стабилитрона VD2 и транзи- стора VT6 элемента НЕ. Под воздействием Um транзистор VT5 и стабилитрон VD2 открываются и пропускают напряжение положительного знака на базу VT6. Эмиттерный переход VT6 смещается в прямом направлении (так как l/g > 17э) и открывается, в транзисторе VT6 появляется ток I, усиленный VT5 до значения, при кото- ром VT6 переходит в режим полного насыщения. Сопротивле- ние насыщенного транзистора очень мало, и поэтому на кол- лекторе VT6 в точке к появляется напряжение на уровне ло- гического 0, равное 0,5-0,6 В. Это напряжение поступает на базу VT7 и запирает его. Напряжение на выходе микросхемы (в точке У) складывается из падений напряжения в открытых VT6 и VD3 и равно 0,7-0,9 В. Следовательно, напряжение Uy находится на уровне логиче- ского 0. При подаче на все входы микросхемы сигнала 1 схема приходит в действие и на ее выходе возникает инвентирован- ный сигнал на уровне 0 - схема выполняет логическую опера- цию И-НЕ. Допустим теперь, что на микросхему, находящуюся в состоя- нии действия (выполнения операции И-НЕ), на один из вхо- дов, а значит, и на базу VT2, вместо логической 1 поступил ну- левой сигнал (CJBX2 < 0,8 В). Под действием положительного потенциала, поступающего от источника питания +ЕП по R1 и R2 в точку т, транзистор VT2 открывается, поскольку Цэ > U&, тогда через переход эмит- тер - коллектор открывшегося VT2 на базу VT5 поступает ну- левой потенциал от нулевой шинки схемы. Транзистор VT5 закрывается, что влечет за собой закрытие VD2 и VT6. Напря- жение коллектора VT6 (точка к) резко возрастает, и, как след- ствие этого, на базе VT7 появляется напряжение, близкое к Ел, открывающее транзистор VT7 (так как его Uq > С7Э)« Через открытый транзистор VT7 в точке У на выходе микросхемы ЛЭ появляется напряжение единичного уровня Uy = • При отсутствии нагрузки С^Ь1Х Еп. При наличии нагрузки, вследствие падения напряжения в R5, ЩЬ1Х уменьшается в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов R5 144
Рис. 2.81. Схема с пассивным выходом и R4. Следовательно, при появлении на входе микросхемы сиг- нала нулевого уровня на ее выходе появляется сигнал на уров- не 1. Рассмотренная схема может использоваться в качестве реа- лизующей при единичных входных сигналах логическую опе- рацию И-НЕ и возвращающейся в исходное состояние при по- явлении нулевого сигнала хотя бы на одном из входов. Эта же схема может служить для реализации операции ИЛИ-НЕ, если принять в качестве входного сигнала, выполняющего ло- гическую операцию, сигнал нулевого уровня на одном входе микросхемы, а для возврата в исходное состояние использовать подачу на все входы сигналов на уровне логической 1. Отечественная промышленность выпускает логические микросхемы И-НЕ серии К511, базовой схемой которой являет- ся схема, приведенная на рис. 2.81. Модифицированные схемы отличаются от базовой выполне- нием выходной части схемы - ее элемента НЕ. Вариант подоб- ной схемы с пассивным выходом показан на рис. 2.81, где изо- бражены только элемент НЕ и связанная с ним схема смещения, поскольку остальная часть - схема элемента И - не изменяется. Действие схемы совпадает с базовой схемой с тем лишь от- личием, что при подаче на все входы на выходе (точка У) появляется нулевой сигнал U£bIX = Цк VT6> меньший, чем в базовой схеме, на значение падения напряжения в диоде VD3. При UbX выходное напряжение С'вых будет немного больше за счет отсутствия VT7. 145
Вопросы для самопроверки 1. Каковы диапазоны регулирования параметров срабатыва- ния у реле тока РТ-40/10 и реле напряжения РН-54/160? 2. Какие реле характеризуются более мощными контактами - основные или вспомогательные? Почему? 3. Каковы функции промежуточных реле? 4. Чем обеспечивается ограниченно-зависимая характери- стика индукционного реле тока? 5. Чем обеспечивается замедление в действии промежуточ- ных реле серии РП-250? 6. Почему микросхемы, используемые в РЗ, называются ин- тегральными? 7. Для выполнения каких органов РЗ используются аналого- вые ИМС, а для каких цифровые? 8. Что такое операционный усилитель? 9. Какие элементы РЗ выполняются на базе операционных усилителей? 10. Как реализуются логические элементы ”И”, ’’НЕТ”, ’’ИЛИ”? 11. Каковы преимущества РЗ, выполненных на базе ИМС по сравнению с электромеханическими РЗ? 12. Каковы основные недостатки устройств РЗ, выполненных на базе ИМС ? Глава третья ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ 3.1. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ Принцип действия. Трансформаторы тока (ТТ) являются вспомогательными элементами, с помощью которых ИО РЗ по- лучают информацию о значении, фазе и частоте тока защища- емого объекта. От достоверности получаемой информации зависит правильность действия устройств РЗ. Поэтому основ- ным требованием к ТТ, питающим устройства РЗ, является точность трансформации контролируемого тока с погрешно- стями, не превышающими допустимых значений. Принцип 146
рис. 3.1. Трансформатор тока: о - принцип устройства; б — схема замещения (принято, что первичный ток и сопротивление первичной обмотки приведены к числу витков вторичной обмотки) устройства ТТ поясняют схе- мы, приведенные на рис. 3.1. Заметим, что один из вто- ричных зажимов ТТ дол- жен обязательно заземлять- ся по условиям техники безопасности. Трансформатор тока (рис. 3.1, а) состоит из первичной обмот- ки wb включаемой последовательно в цепь контролируемого тока, вторичной обмотки w2, замкнутой на сопротивление на- грузки ZH, состоящее из последовательно включенных элемен- тов РЗ или измерительных приборов, и стального магнитопро- вода 1, с помощью которого осуществляется магнитная связь между обмотками. Первичный ток Ц, проходящий по виткам первичной обмотки w1} и ток 12> индуцированный во вторич- ной обмотке w2> создают магнитодвижущие силы (МДС) и I2w2, которые вызывают соответственно магнитные потоки Фх и Ф2, замыкающиеся по стальному магнитопроводу 1. На- магничивающие силы и создаваемые ими магнитные потоки с учетом их положительных направлений, показанных на рис. 3.1, геометрически вычитаются, образуя результирующую МДС 7нам^1 и результирующий магнитный поток трансформа- тора Фт [41]: JiWj-I2w2 = (3-1) Фг - Ф2 = Фт. (3.1а) Поток Фт, называемый рабочим или основным, пронизывает обе обмотки и наводит во вторичной обмотке ЭДС Е2, которая создает в замкнутой цепи вторичной обмотки 147
ток 12. Поток Фт создается МДС /нам^Ч и, следовательно, то- ком /нам- Последний является частью тока It и называется намагничивающим током. Если /нам = О, выражение (3.1) примет вид Л4*! = hW2, откуда и>, I. L = 7. —— = — , (3.2) где KjB = w2/wt - коэффициент трансформации, называемый витковым, в отличие от номинального1. При отсутствии намаг- ничивающего тока вторичный ток 12 (расчетный ток) равен пер- вичному току / поделенному на коэффициент трансформации ТТ, равный К1в. В этом случае первичный ток полностью транс- формируется во вторичную обмотку w2, и ТТ работает иде- ально без потерь и погрешностей. Обозначение выводов обмоток трансформаторов тока. При изготовлении ТТ выводы первичной и вторичной обмоток условно обозначаются (маркируются) так, чтобы при помо- щи этих обозначений можно было определять направление вторичного тока по направлению первичного. Выводы пер- вичной обмотки могут обозначаться произвольно: один прини- мается за начало Н, а второй - за конец обмотки К (рис. 3.2, а). Маркировка же выводов вторичной обмотки выполняется по следующему правилу. При прохождении тока в первичной об- мотке от начала Н к концу К за начало вторичной обмотки Н принимается тот ее вывод, из которого в этот момент ток вы- текает в цепь нагрузки (рис. 3.2, а). Соответственно второй вывод вторичной обмотки принимается за конец обмотки К. При обозначении выводов вторичной обмотки по указанному выше правилу ток в обмотке реле, включенного во вторичную цепь ТТ, имеет такое же направление, как и в случае включе- ния реле непосредственно в первичную цепь (рис. 3.2, а). Заво- Под номинальным коэффициентом трансформации подразумевается отно- шение номинального первичного тока ТТ ко вторичному: Kj = Дном^зном- В заводских материалах дается номинальный коэффициент трансформации. При /нам = 0 = к1в = »2/wi • 148
Рис. 3.2. Обозначение выводов обмоток ТТ: а — правило маркировки выводов; б — обозначение выводов на ТТ; е — обо- значение на схемах; г — векторная диаграмма первичного и вторичного токов при принятых на рис. 3.2, а их условных положительных направлениях; 3 — на- правление вторичного тока в зависимости от направления намотки витков вто- ричной обмотки ды-изготовители обозначают начало и конец первичной обмот- ки трансформаторов и Л2, а начало и конец вторичной обмот- ки Их и И2 (рис. 3.2, б, в). На рис. 3.2, г показана векторная диаграмма первичного и вторичного токов при принятых на рис. 3.2, а их условных по- ложительных направлениях. На рис. 3.2, д показано, как изменяется направление тока во вторичной обмотке и маркировка выводов вторичной обмотки при различном выполнении намотки вторичной обмотки. На- правления потока Фх и вторичного тока определяются по пра- вилу буравчика. Причины погрешности. В реальном ТТ /нам * О, как это сле- дует из (3.1). Ток /нам является обязательной частью первич- ного тока /п он образует МДС, создающую поток Ф, который и осуществляет трансформацию. Из выражения (3.1) вторич- ный ток реального ТТ Л = (1а - /нам) — = , (3.3) «2 kI fcI где kj = w2/wt -витковый коэффициент трансформации. Из выражения (3.3) следует, что действительный вторичный ток 12 отличается от расчетного (идеального) значения Ц/kj, определенного по формуле (3.2), на значение которое вносит искажение в абсолютное значение и фазу вторичного тока. Таким образом, причиной, вызывающей погрешность в работе ТТ, является ток намагничивания /нам. 149
Векторная диаграмма и виды погрешностей ТТ. Искажающее влияние тока намагничивания на вторичный ток ТТ показано на векторной диаграмме рис. 3.3, в основу которой положена схема замещения (см. рис. 3.1, б). В схеме замещения магнитная связь между первичной и вторичной обмотками ТТ заменена электрической, а все ве- личины первичной стороны приведены к виткам вторичной обмотки: ]' =1/К, и 1„ам = . За исходный при построении диаграммы принят вектор вто- ричного тока 12, а затем строятся векторы напряжения на вы- ходе вторичной обмотки: U2 и Е2. Вектор вторичного напряжения U2 равен падению напря- жения в сопротивлении нагрузки ZH = Ян+ jXH, т. е. U2 = = Д(^н + jXH). Он опережает 12 на угол Фн. Вектор вторичной ЭДС ТТ Е2 равен геометрической сумме напряжения U2 и падения напряжения в сопротивлении вторичной обмотки Z2 = R2 + jX2, т. е. Е2 = U2 + I2(R2 + jX2), или, выразив U2 как падение напряжения в ZH, получим Е2 = I2(R2 + Rh) +j'I2(X2 + Хн) = I2(Z2 + ZH). (3.4) ЭДС E2 опережает I2 на угол ct. С учетом условно принятых положительных направлений токов и ЭДС в схеме замещения результирующий магнитный поток ТТ Фт показан отстающим от создаваемой им ЭДС Е2 на 90°. Намагничивающий ток ТТДнам, создающий поток Фт, опережает последний на угол у* обусловленный активными потерями от нагрева стали сердечника ТТ. Приведенный пер- вичный ток находится как геометрическая сумма векторов вторичного тока/2 и тока намагничивания /нам. Векторная диаграмма наглядно показывает, что за счет тока /нам вторичный ток 12 получается меньше приведенного пер- вичного тока ~ Ц/Ki на Д/ и сдвинут относительно него по фазе на угол б. ' Ток /нам имеет две составляющих: /а.нам> которая определяет потери энергии на нагрев магнитопровода вихревыми токами, и 7р.нам> которая осу- ществляет намагничивание сердечника, т. е. создает поток Фт. Составляющая ^а нам ^рнам> поэтому углом у можно пренебречь и считать, что вектор /нам совпадает по фазе с Фт и равен /р.нам • 150
Рис. 3.3. Векторная диаграмма ТТ При рассмотрении работы РЗ учитываются три вида погреш- ностей ТТ: токовая fполная е, угловая б. Токовая погрешность определяется величиной Д1 (отрезок AD на рис. 3.3). Она равна арифметической разности - 12 и показывает, насколько действительный ток 12 меньше расчет- ного тока = Угловая погрешность характеризуется углом б, показыва- ющим, насколько действительный ток 12 сдвинут по фазе от- носительно приведенного первичного тока (т. е. идеального вторичного тока 12 и реального первичного тока). Полная погрешность € определяется модулем (абсолютным значением) вектора 1^&м (отрезок АС на рис. 3.3). Эта погреш- ность равна геометрической разности действующих значений векторов 1^, приведенной ко вторичной стороне, и /2Д: [/нам I = = 1л’-'2ДГ. Из рассмотрения треугольника АВС (рис. 3.3) следует, что полная погрешность (е = 1нам) определяет и характеризует как погрешность по току fj = AI, так и погрешность по углу б. Угол б очень мал, поэтому можно считать, что Д/ равен отрезку АВ, а угол б, измеряемый в радианах длиной дуги DC, приблизи- тельно равен отрезку ВС. Это означает, что 8 >/;. С увеличением ct, зависящего от угла нагрузки фн (угла между током 12 и напряжением (72), Д/ рас- тет, а угол б уменьшается. При а + у = 90° вектор 12 совпадает по фазе с вектором^, и тогда погрешность по току Д/ дости- гает максимального значения. При этом f будет равна е, уг- ловая же погрешность становится минимальной (б = 0). Погрешность по току Д/(/,) и полная погрешность £ = |/нам| выражаются в относительных единицах или процентах как 151
отношение действующих значений этих погрешностей к дей- ствующему значению приведенного первичного тока. Относительная токовая погрешность Д Т ^2 * t fi % = -=-100 = 100. (3.5) Относительная полная погрешность Если вторичный ток несинусоидален, то ток намагничивания выражается как среднее квадратичное значение разности мгновенных значений реального и расчетного токов i2: Тогда (3.7) Здесь Kj - номинальный коэффициент трансформации ТТ. Погрешность по углу выражается в градусах и минутах, она считается положительной, если 12 опережает как показано на рис. 3.3. Относительные погрешности е, и 6 увеличивают- ся с увеличением тока намагничивания 7нам. 3J. ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УМЕНЬШЕНИЕ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ТОКА Для уменьшения намагничивающго тока /нам нужно умень- шать поток Фт, связанный с током соотношением Фт 152
откуда _ »TRM ^нам “ u)_ (3.8) где RM - магнитное сопротивление стального сердечника ТТ. Графически эта зависимость представляется характеристи- кой намагничивания, изображенной на рис. 3.4. В начальной части характеристики ток /нам почти пропорцио- нален Фт. При некотором значении потока Фт = Ф'тз происхо- дит насыщение магнитопровода, вследствие чего /нам возра- стает значительно быстрее, чем поток Фт, что вызывает резкое увеличение погрешностей. Следовательно, для ограничения погрешностей нужно ограничивать значение магнитного по- тока Фт, или, иначе говоря, магнитной индукции Вт = Фт/0, не допуская насыщения магнитопровода (Q - площадь сечения магнитопровода). Магнитный поток Фт связан с наведенной им ЭДС Е2 выражением Л &2 ф = ----------- Т 4,44w2/ ’ где согласно (3.4) (3.9) (3.9а) Е2 = /2(Z2 + ZH). С увеличением 12 и сопротивления нагрузки ZH будет расти ЭДС Е2. Как видно из (3.9), соответственно возрастает магнит- ный поток Фт и создающий его ток /нам, чт0 вызывает увеличе- ние погрешностей ТТ. Для снижения погрешностей необходимо уменьшать Е2, стремясь к тому, чтобы при максимальных токах КЗ, определя- ющих работу РЗ, возникающий в магнитопроводе поток Фт Рис. 3.4. Характеристика намагничи- вания ТТ ег = ф^Вгп) /нам W 153
не вызывал его насыщения. Уменьшение Е2 достигается умень- шением ZK и 12 за счет увеличения К}, т. е. за счет выбора ТТ с большим номинальным первичным током. Таким образом, для уменьшения погрешности ТТ должен иметь минимальную величину 1нам и работать в прямолиней- ной части характеристики намагничивания. Первое условие обеспечивается конструктивными парамет- рами магнитопровода (его сечением и диаметром) и выполня- ется при разработке и изготовлении ТТ. Второе условие (работа в прямолинейной части характери- стики) обеспечивается в процессе эксплуатации выбором на- грузки вторичной обмотки и уменьшением кратности первич- ного тока, подбором коэффициента ТТ. В качестве допопнительной меры по повышению точности ТТ заводы-изготовители применяют компенсацию 1Нам уменьше- нием числа витков wa вторичной обмотки против расчетного значения w2 = Wj/Q. В результате этой коррекции вторичный ток 12 увеличивается на 1-3%, частично компенсируя его уменьшение, вызванное наличием /нам. Такой способ дает ре- зультат при малых значениях 1нам, т. е. при токах, близких к номинальному, и используется для обмоток, питающих измери- тельные приборы. Погрешности ТТ резко возрастают в переходном режиме в первый момент КЗ, когда в первичном токе появляется апериодическая составляющая, которая может вызвать насы- щение магнитопровода ТТ и, как следствие, увеличение тока 'нам [23]. 3.3. ТРЕБОВАНИЯ К ТОЧНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА, ПИТАЮЩИХ РЗ Трансформаторы тока, питающие РЗ, должны работать с определенной точностью в пределах значений токов КЗ, на которые РЗ должна реагировать. Эти токи, как правило, превы- шают номинальные токи ТТ 11Н0М, и> следовательно, точная работа ТТ должна обеспечиваться при первичных токах 7Х > > Л ном* На основании опыта эксплуатации и теоретического анали- за принято, что для обеспечения правильной работы боль- шинства устройств РЗ погрешность в значении вторичного то- ка ТТ не должна превышать 10%, а по углу 6 7° [25]. 154
Эти требования обеспечиваются, если полная погрешность 'fT е =£ 10%, или, иначе говоря, если ток намагничивания не превосходит 10% тока Исходными величинами для оценки погрешности являются наибольший расчетный ток ЛРасчтах> при котором для рассматриваемой защиты требуется точная работа ТТ, и сопротивление нагрузки 2Н. Нагрузка состоит из сопротивлений реле Zp = Rp +• /Хр, соединительных проводов и переходных контактов Йп.к» которые для упрощения сум- мируются арифметически: ZH « Zp + Яп + Рп,к. Предельные значения IiTnax и соответствующие им допусти- мые ZH из условия 10%-ной погрешности должны давать за- воды, изготавливающие ТТ. Предельные значения ZlnQX обыч- но даются в виде кратности этого тока по отношению к номи- нальному первичному току ТТ: К1тах = Кроме РЗ ТТ питают измерительные приборы. Точность ра- боты ТТ, питающих измерительные приборы, характеризуется классом точности, а РЗ - предельной кратностью первичного тока 1,0 = Г1тм/11но„ и допустимой нагрузкой ZH.non, при ко- торых гарантируется, что полная погрешность ТТ & не превы- сит 10%. Погрешности класса точности устанавливают, исходя из условий точной работы измерительных приборов в диапазо- не токов нормальных режимов, а погрешность при предельной кратности тока Ki0 и нагрузке в соответствии с требо- ваниями, предъявляемыми РЗ. Классы точности. Для промышленных установок изготавли- ваются ТТ классов точности 0,5; 1; 3; 5; 10 и Р. Каждый класс точности характеризуется определенной погрешностью по току AZ и углу 6, установленной ГОСТ 7746-68. Эти погрешно- сти приведены в табл. 3.1, они обеспечиваются только при пер- Таблица 3.1 Класс точ- ности Погрешность по ГОСТ при номиналь- Погрешность при токе ном токе номинальной предель- " ной кратности е, % по току, % по углу, мин 0,5 I ± 0,5 ± 30 Не нормируется ±1 ±60 То же 3 5Р ЮР ±3 Не нормируется — ” — ±1 ±60 ±1 Не нормируется - ” — 155
вичных токах в пределах от 0,1 до 1,2 номинального, т. е. в диапазоне токов нагрузки, контролируемых измерительными приборами. Для РЗ изготавливаются ТТ класса ЮР с е < 10% при токе номинальной предельной кратности (К10) и ТТ 5Р повышенной точности с гарантированной погрешностью е = 5% при тех же кратностях первичного тока. Трансформаторы тока класса Р предназначены для РЗ, и поэтому их погрешности при номинальных токах не нормиру- ются. Работа ТТ с погрешностью, соответствующей классу, обеспечивается при нагрузке вторичной обмотки, не выходя- щей за пределы номинальной. Номинальной нагрузкой ТТ называется максималь- ная нагрузка, при которой погрешность ТТ равна значению, установленному для данного класса (табл. 3.1). Номинальную нагрузку принято выражать в виде полной мощности SH0M, В А, при номинальном вторичном токе 5 или 1 А и coscp = 0,8, или в виде сопротивления нагрузки Ом, при котором мощ- ность ТТ равна номинальной SH ном. Номинальная мощность Shom = ЦЛном, ПРИ этом напряжение U2 = /2HomZhom- Тогда *^Н.НОМ = ^ЗНОМ^Н.НОМ ’ ® ^Н.НОМ — *^Н.Н0М /^ЗНОМ' (3.10) В зависимости от конструкции и класса точности ТТ значе- ние номинальной нагрузки находится в пределах от 2,5 до 100 В А. При токе > 1,2 7номтт погрешности ТТ выходят за пределы, установленные для данного класса. Следует отме- тить, что класс точности не может служить основанием для выбора ТТ, питающих РЗ, так как предусматриваемые им по- грешности имеют место при номинальных токах, в диапазоне которых РЗ не работает. Для РЗ, исходя из указанных выше требований к погрешностям ТТ, заводы, изготавливающие ТТ, должны согласно ГОСТ 7746-68 давать в своих информацион- ных материалах кривые предельной кратности К10 для ТТ класса Р. Эти кривые представляют собой зависи- мость предельной максимальной кратности первичного тока = hmax^i номтт от сопротивления нагрузки ZH с cos(р = 0,8, при которых полная погрешность е = 10%. Характер подобной зависимости приведен на рис. 3.5, а. Пользуясь такой кривой, можно, задаваясь определенным значением ZH, определять допустимую кратность первичного тока К10, при которой 156
рис. 3.5. Кривые для расчета погрешности ТТ: а — кривые предельной кратности тока Х10 = /(^2 п); 6 ~ кривые 10%-ной погрешности ТТ типа ТФЗМ ПО OB-IV-5-88. Варианты изменения: 1 - 100-600 А; 2 - 750 и 1500 А; 3 - 1000 и 2000 Рис. 3.6. Зависимость вторичного тока ТТ от первичного: 1 — вторичный ток идеального ТТ /2 = = /j/K/; 2 — действительный вторичный ток с(/Нам) не превосходит 10% найденного К10, или, задаваясь значением К10, определять допустимое значение ZH, при ко- тором е < 10%. Ври предельной кратности К10 и нагрузке ZH, соответству- ющей любой точке кривой К10 = ТТ работают на пере- гибе характеристики намагничивания в точке Н (рис. 3.4 и 3.6), т. е. вблизи начала насыщения магнитопровода. Соот- ветствующий этой точке ток /нас и является указанным выше предельным максимальным током. На рис. 3.5, б приведена характеристика предельной кратно- сти ТТ типа ТФЗМ 110 OB-IV-5-88 вторичной обмотки класса точности ЮР для разных К/ [27]. Аналогичные характеристики заводы, производящие ТТ, представляют и для других классов обмоток. Эти характери- стики при необходимости могут использоваться для оценки нагрузки на ТТ и значений токов, при которых погрешность ТТ не превышает 10%. 157
3.4. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И ДОПУСТИМОЙ ВТОРИЧНОЙ НАГРУЗКИ С учетом тока нагрузки защищаемого элемента, его рабоче- го напряжения и вида РЗ выбирают тип ТТ и его номинальный коэффициент трансформации, после чего проводят проверку на термическую и динамическую стойкость. Выбранные таким образом ТТ проверяют на точность и надежность работы пита- ющейся от них РЗ, исходя из следующих требований ПУЭ: 1) обеспечения точности работы измерительных органов РЗ при КЗ в расчетных точках электрической сети, выбираемых в зависимости от типа РЗ, при этом полная погрешность ТТ е не должна превышать 10%; 2) предотвращения отказа срабатывания РЗ при наибольших значениях тока КЗ в начале участка, защищаемого РЗ, вслед- ствие чрезмерного увеличения погрешности ТТ и искажения формы кривой вторичного тока, могущей вызвать вибрацию контактов у электромеханических реле, снижение чувстви- тельности и быстродействия у полупроводниковых реле под влиянием высших гармоник; 3) ограничения напряжения во вторичных цепях ТТ и РЗ до допустимых значений при 1ктах. Для выполнения первого требования, как правило, выбира- ется ТТ класса Р с коэффициентом трансформации, обеспе- чивающим необходимую кратность тока при КЗ в требуемой для рассматриваемой РЗ точке сети. Для выбора допустимой нагрузки при заданной кратности Красч = 4.расч/Лтт и полной погрешности ТТ е 10% используются кривые предельной кратности, построенные по заводским данным, или характери- стики намагничивания, снятые при разомкнутой первичной обмотке - вольт-амперные характеристики U2 =/(1Нам)- Выбор £„ по кривым предельной кратности К10 = /(ZH). Этот метод является самым простым и им следует пользоваться как основным методом расчета требуемой точности работы ТТ класса Р: а) рассчитывают значение максимального первичного то- ка КЗ Лрасчmax, ПРИ котором для рассматриваемой РЗ погреш- ность е не должна превышать 10%; б) вычисляют максимальную кратность найденного первич- ного тока /1расчтах по формуле „ _ Лрасч max _ П11) “расч max — , > 'J*1 ' 'ihom ТТ 158
в) по заводской характеристике К10 = f(Z) для данного ти- па ТТ и принятого коэффициента трансформации К; опреде- ляют 2н.доп ДЛЯ ^расч max » г) определяют действительное сопротивление нагрузки с учетом сопротивления проводов и реле и проверяют вы- полнение условия ZH < ZH доп. Если окажется, что ZH > ZHJ30n, то необходимо или увеличить коэффициент трансформации Kj ТТ, или выбрать ТТ, у которого при Красч max допускается большее значение ZH4Ion, или уменьшить ZH (за счет увеличе- ния сечения жил соединительного кабеля или сокращения его трассы), либо принять ТТ с вторичным номинальным то- ком 1 А. Выбор по вольт-амперным характеристикам ТТ U2 = “/(^знам)* При отсутствии сведений о погрешности ТТ его при- годность для данной РЗ и допустимую нагрузку вторичной це- пи ZH можно приближенно оценить по характеристике зави- симости вторичного тока намагничивания 12Нам от вторичного напряжения U2. Характеристику снимают опытным путем по схеме, приведенной на рис. 3.7, а. Меняя напряжение U2 на зажимах вторичной обмотки, измеряют соответствующий каж- дому значению L'2 ток 7нам во вторичной обмотке, который является /нам, поскольку первичная обмотка разомкнута. На основании полученных данных строится зависимость L72 = = /^знаи) (Рис- 3-7> 6)- Вследствие малого значения сопротивления вторичной об- мотки Z2 принимается, что Ь'2 ® Е2, и тогда полученная харак- теристика может рассматриваться как зависимость Е2 = /(12нам)- На основании этой характеристики можно определить зна- чения Е2 и 12Нам, при которых наступает насыщение (по точке Н - конец прямолинейной части), и, пользуясь формулой (3.9а), вычислить допустимую нагрузку ZHflon при заданном токе КЗ 12 = Ц/Kj. Погрешность е = 12Нам.н/^20//°’ Этот метод может применяться для проверки погрешности ТТ, имеющих малое сопротивление R2 по сравнению с ZH. Для выполнения второго условия используется зависимость параметра А от токовой погрешности ТТ А = /(/,). Начнем с рассмотрения поведения ТТ при кратностях первичного тока в насыщенной части характеристики намагничивания. Работа ТТ в режиме глубокого насыщения. При КЗ в начале защищаемой зоны РЗ кратность первичных токов, проходящих через ТТ защищаемых элементов, может оказаться очень боль- 159
Рис. 3.7. Зависимость вторичного напряжения от тока намагничивания: а - схема снятия характеристики; б — зависимость U2 = /(2нам) Рис. 3.8. Прямоугольная характеристика намагничивания: а — характеристика; б — схема замещения ТТ шой. В этих условиях ТТ могут работать в режиме глубокого насыщения, который характеризуется двумя особенностями: резким увеличением тока намагничивания ТТ с соответству- ющим ростом погрешностей (£ и /,) до 20% и более и значитель- ным искажением формы кривой вторичного тока в составе которого наряду с основной появляются и высшие гармоники. При этом как электромеханические, так и статические ИО, реагирующие на ток, могут отказать в работе: первые - из-за вибрации контактов, вторые - из-за изменения характеристик срабатывания реле. Чем больше значение погрешности ТТ (£ и Л), тем больше искажается форма кривых токов 12 и /нам. Проверка надежности действия ИО при глубоком насыщении ТТ сводится к определению значения токовой погрешности при максимальной кратности тока КЗ Ктах = 1К тах/1номТТ в случае повреждения в начале защищаемого участка. Это значение не должно превосходить предельно допустимого, при котором еще обеспечивается правильная работа рассмат- риваемого ИО. Расчет погрешностей ТТ, работающих в режиме насыщения, методом эквивалентных синусоид, при резком искажении си- нусоид токов 12 и /Нам» Дает преувеличенные значения погреш- ности fj, а значение допустимой нагрузки получается меньше реального значения. Более точным и простым способом расчета погрешностей насыщенного ТТ является способ, основанный на замене (аппроксимации) действительной характеристики намагничи- вания (рис. 3.8, а) прямоугольной характеристикой намагничи- 160
вания (ПХН). При мгновенных значениях индукции Bt < Bst при которой наступает глубокое насыщение магнитопровода, характеристика намагничивания представляется в виде вер- тикальной прямой (рис. 3.8, а). При этом 1нам = 0 и 12 = /' - рабо- та ТТ считается идеальной. При Bi > Bs магнитопровод ТТ насыщается, и дальнейшее изменение Bt прекращается независимо от значения /нам. Характеристика намагничивания насыщенного ТТ изобража- ется прямой линией, параллельной оси абсцисс, мало отли- чаясь от действительной характеристики намагничивания на ее участке за точкой перегиба (точка Н) (рис. 3.7). Схема заме- щения, характеризующая работу ТТ с ПХН, показана на рис. 3.8, б. Ветвь намагничивания, соответствующая вертикаль- ной прямой ПХН, должна иметь бесконечно большое сопротив- ление ХНам = °° > поскольку /нам = 0, а при работе на горизон- тальном участке ПХН Хнам скачкообразно уменьшается до нуля. При этом е2 = 0, 7„ам = Л- Поэтому ветвь намагничивания в схеме замещения заменяется рубильником S (рис. 3.8, б). При работе ТТ в вертикальной части характеристики рубильник разомкнут (7Нам = 0), а в горизонтальной - замкнут (Хнам = 0). Кривые мгновенных значений (zx, /2, /нам), напряжения (и2) и магнитной индукции (В) приведены на рис. 3.9. Первич- ный ток it определяется параметрами сети и имеет форму синусоиды. Вторичный ток i2 на участках А совпадает с пока Bt < Bs. В момент времени tx индукция Bt достигает зна- чения Bs (насыщения), рубильник S в схеме замещения (рис. 3.8, б) замыкается, i2 * 0. Ток i2 затухает по экспоненци- альному закону с постоянной времени вторичной цепи т = = L2/R2. В момент времени t2 (когда В( < Bs) магнитопровод ненасыщен, и ток i2 снова равен i[. В следующем полупериоде процесс повторяется. Методика на основе ПХН позволяет определить формы кривых /2 и /нам и найти значение /х, при котором наступает насыщение (момент tx) и значение /нам при заданном значении 11тах • Для упрощения расчета погрешностей ТТ вводится коэффи- циент А, являющийся обобщенным параметром, определя- ющим при е = 10% = const и cosV = 0,8 значение токовой по- грешности. Зависимость /,• = F(A) приведена на рис. 3.10. Она построена с использованием обобщенных характеристик = ~ Г(ЛуП), полученных экспериментально на модели ТТ с маг- нитопроводом из одинакового сорта стали, с одинаковыми 161
Рис. 3.10. Зависимость f = Ф(А) для определения токовых погрешностей ТТ бо- лее 10% Рис. 3.9. Токи и напряжения ТТ с ПХН удельными параметрами. Поэтому, характеристика, приведен- ная на рис. 3.10, справедлива для всех типов однокаскадных ТТ отечественного производства. Коэффициент А выражается в виде отношения максимального первичного тока 11ТПах> для которого ищется значение /, к первичному току /раСчю’ определенному по кривым предельной кратности для задан- ной нагрузки ZH, при с = 10%, coscp = 0,8; А - Лтах/Лрасчю» или в виде отношения кратностей этих токов: А = К1тах/К1расч10. Пользуясь зависимостью fa = F(A), можно по заданному зна- чению К1тах находить значение fa или по заданному/, опреде- лять значение К1тах. В обоих случаях для определения значе- ния Красчю необходимо иметь кривые предельной кратности К10 = /С^н-доп)* Для Реле разных типов допустимы разные зна- чения fi доп при работе ТТ в условиях глубокого насыщения: 50% - для РТ-40, РТ-80 и РТ-90, направленных PC (индукцион- ные и полупроводниковые с нуль-индикатором на магнито- электрическом реле); 40% - для РТ-40 (выпуск до 1969 г.) и РБМ с жесткими упорами и т. д. При известном /1Д0П для конкретных реле и устройств РЗ из рис. 3.10 определяется А и вычисляется отношение Ктах/А- Если Ктах/А > Красч> то в качестве расчетной кратности прини- мается КрдоЧ = Ктах/А. Если Ктах/А < Красч, то в качестве расчетной сохраняется кратность Красч- 162
3.5. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА Схема соединения ТТ и обмоток реле в полную звезду. Транс- форматоры тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки ТТ и обмотки реле соединяются в звезду, и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым (рис. 3.11). В нулевую точку объединяются одноименные за- жимы обмоток ТТ. Стрелками показаны условные положитель- ные направления первичных и вторичных токов с учетом по- лярности обмоток ТТ, начала которых обозначены точками. При нормальном режиме и трехфазном КЗ, как показано на рис. 3.11, в реле /, Л и III проходят токи фаз 1а = 1а/*ь lb ~ 1в/кЬ 1с = а в нулевом проводе - их гео- метрическая сумма: /н.п ~ (!а + 1b + /с)’ (3.12) которая при симметричных режимах равна нулю (рис. 3.12, а). При двухфазных КЗ ток проходит только в двух повреж- денных фазах и соответственно в реле, подключенных к ТТ поврежденных фаз (рис. 3.12, б), ток в неповрежденной фазе отсутствует: 1с = ~1в- Ток в нулевом проводе отсутствует как в нагрузочном (сим- метричном) режиме, так и при трех- и двухфазных КЗ. Однако в результате неидентичности характеристик и погрешностей ТТ в нулевом проводе протекает ток небаланса /н п = 1Н^: в нор- мальном режиме он имеет значение 0,01-0,2 А, а при КЗ воз- растает. При однофазных КЗ первичный ток протекает только по одной поврежденной фазе (рис. 3.12, в). Соответствующий Рис. 3.11. Схема соединения ТТ и об- моток реле в звезду 163
Рис. 3.12. Векторная диаграмма токов: а - при трехфаэном КЗ; б - при двухфазном КЗ; в - при однофазном КЗ; г — при двухфазном КЗ на землю; д — при двойном замыкании на землю в раз- ных точках ему вторичный ток протекает также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу. При двухфазных КЗ на землю (рис. 3.12, г) ток прохо- дит в двух реле, включенных на поврежденные фазы (напри- мер, В и С) (рис. 3.12, г). В нулевом проводе протекает геомет- рическая сумма этих токов, отличная от нуля. При двойном замыкании на землю в разных точках протекание токов в сети показано на рис. 3.12, д. На участке между местами замыкания на землю условия ана- логичны однофазному КЗ, а между источником питания и ближайшим к нему местом повреждения соответствуют двух- фазному КЗ. Нулевой провод схемы соединения в звезду является фильт- ром токов НП. Ток 10 определяется из (3.12). Токи прямой и обратной последовательностей, как видно из рис. 3.13, в нуле-
I# tt? tl?_ рис. 3.13- Прохождение токов симметричных составляющих в схеме звезды: а - токораспределение в схеме; б—г— векторы токов прямой, обратной к нулевой последовательностей вом проводе не проходят, так как сумма векторов каждой из этих систем равна нулю (рис. 3.13,6, в). Токи же НП совпадают по фазе и поэтому в нулевом проводе проходит утроенное зна- чение этого тока: /н.п = 3/0. При нарушении (обрыве) вторичной цепи одного из ТТ в нулевом проводе возникает ток, равный току фазы, что может привести к непредусмотренному действию реле, установлен- ному в нулевом проводе. В рассмотренной схеме реле, установ- ленные в фазах, реагируют на все виды КЗ, а реле в нулевом проводе - только на КЗ на землю. Схема соединения ТТ и об- моток реле в звезду применяется в РЗ, действующих при всех видах КЗ. Как рассматриваемая, так и другие схемы соединения ТТ и реле характеризуются отношением тока в реле 1р к току в фазе /ф, которое называется коэффициентом схемы: ксх = (3.13) Для схемы соединения в звезду /ссх = 1. Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду. Трансформаторы тока устанавливаются в двух фазах и соеди- няются так же, как и в схеме соединения в звезду (рис. 3.14, а). В реле / и III проходят токи соответствующих фаз 1а = IA/Kj и 4 = Ic/KIt а в обратном (общем) проводе (реле IV) ток равен их геометри- ческой сумме: 1о.п = Iiv = -(L + D- (3.14) 165
Рис. 3.14. Схема соединения ТТ и обмоток реле в неполную звезду С учетом векторной диаграммы 1а + 1С = - /ь, т- е« Аз.п равен току фазы, отсутствующей во вторичной цепи (рис. 3.14, 6). При трехфазном КЗ и в нормальном режиме токи проходят по обоим реле I и III и в обратном проводе. В случае двухфазного КЗ токи появляются в одном или двух реле (I и III) в зависимости от того, какие фазы поврежде- ны. Ток в обратном проводе при двухфазных КЗ между фазами А и С, в которых установлены ТТ согласно рис. 3.12, б с учетом того, что 1С = - /а, равен нулю, а при замыканиях между фазами АВ и ВС он соответственно [см. (3.14)] равен: 10П = -1а и 1оп = = -1с- В случае однофазного КЗ фаз (А или С), в которых установлены ТТ, во вторичной обмотке ТТ и обратном проводе проходит ток КЗ. При замыкании на землю фазы В, в которой ТТ не установлен, токи в РЗ не появляются. Коэффициент схемы ксх = 1. Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле в звезду. Вторичные обмотки ТТ, соединенные последовательно разно- именными выводами (рис. 3.15), образуют треугольник. Реле, соединенные в звезду, подключаются к вершинам треугольни- ка. Из токораспределения видно, что в каждом реле протека- ет ток, равный геометрической разности токов двух фаз: Il =Ia/Ki * 1в/К,. Iu = Im =k/KI-IA/KI. При симметричной нагрузке и трехфазном КЗ 166
рис. 3.15. Схема соединения ТТ в треугольник, а обмоток реле — в звезду Рис. 3.16. Векторная диаграмма вторичных токов в схеме на рис. 3.15 в реле проходит ток, в Уз раз больший тока фазы и сдвинутый относительно него по фазе на 30° (рис. 3.16). В табл. 3.2 приведены значения токов при других видах КЗ в предположении, что коэффициент трансформации ТТ равен единице. Схема соединений ТТ в треугольник обладает следующими особенностями: токи в реле протекают при всех видах КЗ; РЗ по такой схеме реагируют на все виды повреждений; отношение тока в реле к фазному току зависит от вида КЗ; токиНП не выходят за пределы треугольника. Отсюда следует, что при КЗ на землю в реле попадают толь- ко прямая и обратная последовательности, т. е. только часть тока КЗ. Описанная выше схема применяется в основном для дифференциальных и дистанционных РЗ. Поскольку в рассматриваемой схеме ток в реле при трех- фазных симметричных режимах в >/з раз больше тока в фазе, коэффициент схемы согласно (3.13) равен: Схема соединения с двумя ТТ и одним реле, включенным на разность токов двух фаз. Трансформаторы тока устанавли- ваются в двух фазах (например, А и С на рис. 3.17); их вторич- ные обмотки соединяются разноименными зажимами, к ко- торым подключается обмотка реле. Из токораспределения, показанного на рис. 3.17 для случая, когда по первичной цепи 167
Таблица 3.2 КЗ Токи в реле денные фазы фазах I 1а -1в II 1в-1с 1П 1с -1а А, В 1в = -1а 1с=0 Чл 1в -1а Двух- фазное в, с 1с=--!в м=° -Jb Цв 1с С, А 1а = ~1с 1В~О Ia -1с 21с А (А = А< = Ат = ° ‘а 0 -1а Одно- фазное В 'В-'к -1в 'в 0 С = Ac. Ja=Jb = o D -1с ;с проходят положительные токи 1А, 1В, 1С, находим, что ток в реле равен геометрической разности токов двух фаз 1а и /с, т. е. ' где Ia =IA/Kj; 1С = 1С/К;. При симметричной нагрузке и трехфазном КЗ разность то- ков / - / в /Зраз больше тока в фазе (1а и /с) и, следовательно, = /J; (ЗЛ5а) Р * Ф При двухфазном КЗ АС (фазы, на которых установлены ТТ): F -I'- (-V = 2'ф > гае = kl “ Ш- (3.156) 168
рис. 3.17. Схема соединения ТТ на разность токов двух фаз Рис. 3.18. Схема соединения ТТ в фильтр токов нулевой последовательности При двухфазных КЗ АВ или ВС в реле поступает ток только одной фазы I или /с: 1,2> = Л , (3.15в) р ф г*е I* = 1а или 'ф = V Из (ЗЯ5а) - (3.15в) следует, что данная схема по сравнению со схемами полной и двухфазной звезды имеет худшую в УЗ раз чувствительность при КЗ между фазами АВ и ВС. В случае двухфазного КЗ между фазами В и С за силовым трансформатором с соединением обмоток звезда - треуголь- ник ток в реле /р = 1а - 1: оказывается равным нулю, так как токи 1а и /с равны по значению и совпадают по фазе, что видно из токораспределения на рис. 3.19. Рассматриваемая схема может применяться только для РЗ от междуфазных КЗ в тех случаях, когда она обеспечивает не- обходимую чувствительность при двухфазных КЗ и когда не требуется ее действие при КЗ за трансформатором с соедине- нием обмотки v/д. Коэффициент схемы при симметричных режимах к™ = 1р/1ф = /5. Схема соединения ТТ в фильтр токов НП. Трансформаторы тока устанавливаются на трех фазах, одноименные зажимы вторичных обмоток соединяются параллельно, и к ним под- ключается обмотка реле КА (рис. 3.18). Ток в реле равен геомет- рической сумме вторичных токов трех фаз: /р ~ 1а + 1ь + 1с ~ 3/0. 169
Рис. 3.19. Токораспределение и векторные диаграммы токов при двухфазных КЗ за трансформаторами с соединением обмоток: а - v/д; б - л/г Рассматриваемая схема является фильтром токов НП. Ток в реле появляется только при одно- и двухфазных КЗ на землю. Поэтому схема применяется для РЗ от КЗ на землю. Включение реле по схеме на рис. 3.18 равносильно его вклю- чению в нулевой провод звезды по рис. 3.11. Анализ работы схем соединения ТТ при двухфазных КЗ за трансформаторами с соединением обмоток y/a или д/v. Особым случаем по характеру токораспределения являются двухфазные КЗ за трансформаторами с соединением обмоток y/a или a/y. Токораспределение на стороне звезды трансформатора с соединением обмоток y/a (рис. 3.19, а) при КЗ на стороне тре- угольника. Для простоты принимается, что коэффициент трансформации трансформатора NT = 1. При этом отношение линейных токов обмоток с соединением y/a равно 1, а токов в фазах /у//д = »д/»у = А <ЗЛ6> При двухфазном КЗ на стороне треугольника, например меж- 170
ду фазами b и с (рис. 3.19, а), ток в неповрежденной фазе 1а = - о, а токи в поврежденных фазах b и с равны току КЗ, т. е. 1С = = -к ' Как видно из рис. 3.19, а, в треугольнике ток 1К делится на две части: одна замыкается по обмотке фазы с и другая - по последовательно включенным обмоткам фаз b и с. Поскольку сопротивление второй цепи в 2 раза больше, чем первой, ток 2 1 в обмотке фазы с равен — 7К, а в обмотках а и b — 7К. Токи на стороне звезды соответствуют токам в обмотках одноименных фаз треугольника и превышают их с учетом (3.16) в У? раз: _ 1К у/з 1К Ia = V 3 = — = —; 1в = It>A Уз*; Ic ~ 4-л У^ - —j=IK . V3 (3.17) При КЗ между фазами ab и са картина распределения токов будет аналогичной. Таким образом, при двухфазном КЗ на стороне треугольника трансформатора токи на стороне звезды появляются во всех трех фазах. В двух фазах они равны и оди- наково направлены. В третьей фазе ток противоположен пер- вым двум и равен их сумме, т.е. в 2 раза больше каждого из них. Токораспределение на стороне треугольника при двухфаз- ном КЗ за трансформатором с соединением обмоток д/т (рис. 3.19, б). Распределение и соотношение токов на стороне треугольника получается аналогично предыдущему случаю на стороне звезды. Анализ условий работы максимальных токовых РЗ (МТЗ), подключенных к ТТ, соединенным по раз- ным схемам, при КЗ за трансформатором т/д (или д/т) по- казывает: 1) в схеме полной звезды (рис. 3.19,6) в одной фазе схемы 2 1 появляется ток ——-------, а в двух других —= ; сумма то- \]з Ki Уз К1 ков в нулевом проводе равна нулю. Реле I, II, III действуют, но два из них имеют в 2 раза меньшую чувствительность, чем третье; 171
2) в схеме неполной звезды ток проходит по обеим фазам и обратному проводу, в последнем он равен геометрической сумме токов указанных фаз или току фазы, отсутствующей в схеме. Если ТТ окажутся на фазах с меньшими первичными тока- 1 к ми —= —ь-, то в таком случае условие чувствительности будет V3 в 2 раза хуже, чем в схеме полной звезды. Для устранения этого недостатка следует использовать реле в обратном прово- де, где проходит сумма токов фаз, равная току КЗ в третьей фазе: 2О.П г—1 ' г- /—1 > у 3 Kj у 3 К/ у 3 К/ 3) в схеме с включением одного реле на разность токов двух фаз ток в реле в случае, показанном на рис. 3.19, а, б, будет отсутствовать. 3.6. НАГРУЗКА ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА Погрешность ТТ зависит от его нагрузки, сопротивление которой z„ = U2/I2, (3.18) где U2 и 12 - напряжение и ток вторичной обмотки (рис. 3.20, а). Сопротивление нагрузки состоит из сопротивлений проводов Rn и реле Zp, которые для упрощения суммируются арифме- тически: ZH = Rn + Zp. Значение U2 = (рис. 3.20, а) зависит от схемы соединений ТТ, сопротивления нагрузки ZH, вида КЗ и сочетания поврежденных фаз. Для схемы полной звезды (рис. 3.20, 6) напряжение U2 при трех- и двухфазных КЗ равно падению напряжения в нагрузке фазы: ^2 = + ^р.ф), поэтому (2) (3, (!) и2 /2(»п + 2р.ф) — . — . — 1-**п + ^р.ф)- *2 ‘2 172
6) е> рис. 3.20. Нагрузка вторичной обмотки ТТ при различных схемах соединения: а - при одном ТТ; б-3-при соединении ТТ по раз- ным схемам При однофазном КЗ U2 равно падению напряжения в сопро- тивлении петли ’’фаза-нуль” (2ЯП) и в сопротивлении реле в фазе 2р.ф и нулевом проводе Zp-0: (1) ^2(2йп + 2р.ф + 2р.о) Ai — J ~ •^п + ^р.ф + ^р.о- Таким образом, наибольшее ZH получается при однофаз- ном КЗ. В схеме неполной звезды (рис. 3.20, в) максимальная нагруз- ка на ТТ имеет место при двухфазных КЗ между фазой, име- ющей ТТ, и фазой, не имеющей его: ZH == 2Rn + Zp.o. В схеме включения реле на разность токов двух фаз (рис. 3.20, д) наибольшая нагрузка ных получается при двухфаз- КЗ между фазами, имеющими ТТ: 2^2^П + 2/jZp + 212^П = ZH = - — 47?п + 2Zp. В схеме треугольника (рис. 3.20, г) ТТ имеют наибольшую нагрузку как при трехфазном, так и при двухфазном КЗ. В обо- их случаях = ЗЙП + Zp. 173
а) к! к к„--к1г 6) Рис. 3.21. Нагрузка ТТ, замк- нутых на сопротивление: а - при одном ТТ; б - при двух ТТ с последователь- ным соединением обмоток Для уменьшения нагрузки ТТ при их недостаточной мощно- сти можно применять последовательное включение двух ТТ, установленных на одной фазе (рис. 3.21) с одинаковым коэф- фициентом Kj. В этом случае падение напряжения в нагруз- ке делится поровну между вторичными обмотками ТТ. 3.7. ФИЛЬТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ токов Наряду с РЗ, реагирующими на полный ток фазы, применя- ются устройства РЗ, реагирующие на симметричные составля- ющие прямой обратной 12 и нулевой 10 последовательностей. Для осуществления таких устройств необходимы фильтры, выделяющие симметричные составляющие из токов трехфаз- ной сети. Фильтры токов симметричных составляющих (рис. 3.22, а) представляют собой специальные схемы, на выходе которых (зажимы тп) получается ток 1$, пропорциональный соответ- ствующей симметричной составляющей токов трехфазной се- ти, питающих фильтр ZI2. К выходным зажимам фильтра под- ключается реле КА [18]. Имеются фильтры простые, выделяющие только одну по- следовательность (прямую, обратную или нулевую), и ком- бинированные, ток на выходе которых пропорционален двум или всем трем симметричным составляющим токов сети. В общем случае ток на выходе комбинированного фильтра 1ф = kj1 + k2I2 + k3IQ, (3.19) где kiy к2 и к3 - постоянные коэффициенты фильтра. Фильтры токов обратной последовательности. Допустим, что фильтр Z12 на рис. 3.22, а - фильтр ОП, =* к12. Токи прямой 174
Рис. 3.22. Фильтр токов обратной по- следовательности (о); схема включе- ния на разность токов двух фаз 1д - - 1В (6) и нулевой последовательностей через такой фильтр не про- ходят, при полволе токов Ц и /0 к фильтру 12 его выходной ток /ф = 0. Питание фильтра тока ОП может производиться фазны- ми токами (рис. 3.22, а) или их разностью: 1д - 1в> 1в - 1с > 1с - 1а (рис. 3.22, б). Разность токов двух фаз не содержит составля- ющей НП /0, так как при вычитании одного фазного тока из другого нулевые составляющие взаимно компенсируются. Поэтому при питании фильтра 12 разностью фазных токов он должен запирать только токи прямой последовательности. Рассмотрим трансформаторный фильтр тока ОП (рис. 3.23, а). По этой схеме ЧЭАЗ выполняется фильтр типа РТ-2. Фильтр состоит из трансреактора TAV, резистора R и двухобмоточного трансформатора То. Трансреактор TAV имеет две первичные и одну вторичную обмотки. Первичные обмотки включены на ток фаз А и В раз- ноименной полярностью; создаваемый ими магнитный поток пропорционален разности токов 1А - 1в- Он индуцирует во вто- Рис. 3.23. Активно-индуктивный (трансформаторный) фильтр Z2 типа РТ-2 175
ричной обмотке трансформатора, включенного на ток фазы А ЭДС, отстающую от потока Фт и тока/л - 1в на 90° (рис. 3.23, б): Ет = - М(1а - 1в)> где М - реактивное сопротивление, обуслов- ленное взаимоиндукцией обмоток трансреактора, т. е. £т = -]Хт(1а - 1в). (3.20) Наличие воздушного зазора в магнитопроводе трансреак- тора обеспечивает линейную зависимость ЭДС от тока /А - Ig. Значение Хт подбирается равным R/\[^. По активному сопро- тивлению R проходит ток 1С, создающий напряжение Ur = 1с^ (3.21) Выходной контур фильтра гпп образуется вторичной обмот- кой трансреактора и сопротивлением R. Напряжение на разом- кнутых зажимах Umn = Ur + UT • Выразив Ur и Ет через токи с помощью (3.20) и (3.21), полу- чим Umn = IcR-jUA-h)XT. (3.22) Чтобы установить влияние каждой последовательности на Umn, определим его значение, пользуясь выражением (3.22) при поочередном питании фильтра токами разных последова- тельностей. Токи нулевой последовательности (7д0 = 1во = fco)« В фазах А и В 1д0 и 1во взаимно уничтожаются. Ток 1со, ПР°* ходящий по R, компенсируется с помощью трансформатора То, первичная обмотка которого включена в нулевой провод звез- ды. Коэффициент трансформации То принят равным 1/3, по- этому вторичный ток Аг = 1/3/тх =1о- Как видно из рис. 3.23, а, ток Аз направлен навстречу току 1с, в результате чего 10с ком- пенсируется током /т2. Следовательно, токи НП взаимно ком- пенсируются и не создают напряжения на выходе фильтра. Токи прямой последовательности (!ai> Ibd Ici) создают напряжения Ет и Ur, образующие Umn на выходе фильт- ра по выражению (3.22). Построив на векторной диаграмме (рис. 3.23, в) вектор (Iai -Ibi) и отстающий от него на 90° вектор 176
-](1А1-1вЛ ПОЛУЧИМ -j(lAl-lBl') = -V/31C1- Подставив полученное значение в (3.21^, найдем ит„т = IcR-'felc = О- Это означает, что токи прямой последовательности не со- здают напряжения на выходе фильтра. Токи обратной последовательности (1а2> 1в2> /сз)- Из диаграммы на рис. 3.23, г следует, что вектор -J(Ia2 ~ 1в2^ совпадает по фазе с вектором /сг и больше его в /3 раз. С уче- том этого 5т = ~ IB2) ~ 1с2 ~~р ~ 1с2К. Напряжение V3 V/? = 1с2^ совпадает по фазе с Ет и с ним суммируется. Подстав- ляя полученное значение в (3.22), находим Vmn(2) = 1с2 Я + 'J?>Ic2 = ^Ic2 R- Поскольку токи прямой и нулевой последовательностей не создают напряжения на выходе фильтра, результирующее напряжение Umn = Umn{2) = 21с2 Я. (3.23) Для рассмотренного фильтра с учетом (3.23) (3.24) где Z$ - сопротивление фильтра, измеренное со стороны вы- ходных зажимов тп при разомкнутой цепи на входе фильтра; Z - сопротивление реле. Реле, питающиеся через фильтр ОП (фильтр-реле), действуют только при несимметричных КЗ и не реагируют на симметричную нагрузку и трехфазные КЗ, когда 1=0. , з Ток небаланса. За счет неточного подбора сопротивле- ний фильтра при отсутствии тока 12 может появиться ток не- баланса /н6, который ограничивает чувствительность фильт- ра-реле. Поэтому 1н6 должен сводиться к минимальному зна- 177
чению регулированием сопротивлений. Баланс сопротивлений может нарушиться при изменении частоты в сети, питающей фильтр, из-за того, что реактивные сопротивления Х^, Хс за- висят от частоты. Это свойство фильтров является их недо- статком. Чувствительность фильтра зависит от чувствитель- ности реле и мощности, отдаваемой фильтром. Каждый источ- ник питания отдает наибольшую мощность приемнику в слу- чае равенства значений их полных сопротивлений, т. е. при Zp = 2ф. Следовательно, для обеспечения максимальной от- дачи мощности фильтром необходимо выполнить условие W Хр = -Хф. (3.25) В фильтрах обычно используются чувствительные электро- магнитные или поляризованные реле, которые подключаются к фильтру через выпрямитель. Фильтры токов прямой последовательности. Учитывая, что токи прямой последовательности отличаются от обратной толь- ко чередованием фаз, любой фильтр ОП можно превратить в фильтр прямой последовательности, изменив на его зажимах последовательность подводимых фаз- Например, если на фильтре, изображенном на рис. 3.22, а, поменять местами фа- зы В и С, то на выходных зажимах фильтра появится напряже- ние Umn, пропорциональное токам прямой последова- тельности, а токи ОП не будут давать напряжения на вы- ходе фильтра. Наряду с фильтрами токов прямой и обратной последовательностей, применяются также комбинированные фильтры 11 + kI2'> L + к10- 3.8. НОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРВИЧНОГО ТОКА Увеличение кратности первичного тока при КЗ и постоян- ной времени затухания апериодической составляющей суще- ственно ухудшает работу ТТ, вызывая их насыщение в переход- ных режимах и, как следствие этого, искажение трансформа- ции первичного тока, что создает опасность ложной работы быстродействующих РЗ. 178
Одним из способов снижения погрешности трансформации переменной составляющей первичного тока является исполь- зование магнитопроводов с немагнитными зазорами. Сопротив- ление ветви намагничивания ТТ с такими магнитопроводами велико для переменной и мало для апериодической состав- ляющей. Поэтому апериодическая составляющая напряжения на вторичной обмотке ТТ, а следовательно, и апериодическая составляющая индукции относительно малы, и магнитопровод не насыщается. Наличие зазора приводит к увеличению пе- риодической составляющей тока намагничивания. Чтобы снизить погрешность ТТ по периодической составляющей 50 Гц, нагрузку можно шунтировать конденсатором, образу- ющим резонансный контур с ветвью намагничивания ТТ, что создает такие же условия работы ТТ, что и снижение тока намагничивания с частотой 50 Гц. Наличие немагнитного за- зора значительно уменьшает значение остаточной индукции в магнитопроводе. Если ТТ не используются для измерения, то вместо них мож- но применять простые и дешевые электромагнитные датчики, называемые магнитными ТТ (МТТ). Вторичная обмотка МТТ располагается вдали от токоведущих частей на стальном сер- дечнике и не требует специальной изоляции от высокого на- пряжения. Первичный ток, протекая по проводу защищаемого объекта, создает магнитное поле. Часть силовых линий этого поля замыкается по сердечнику МТТ, индуцируя ЭДС Е2. Раз- меры и стоимость такого устройства значительно меньше, чем у обычных ТТ, но его мощность невелика (примерно 0,5 Вт). Для уменьшения влияния помех в ОРГРЭС разработаны маг- нитные ТТ с дифференциальными датчиками типа ТВМ. Подобные ТТ представляют собой стальной сердечник П-об- разной формы с двумя одинаковыми, соединенными встреч- но-последовательно обмотками 1 и 2, надетыми на полюсы сердечника (рис. 3.24, б). Проекция провода фазы А, для контроля за которым пред- назначен изображенный на рис. 3.24,6 датчик, находится в Центре сердечника. Магнитный поток Фд, пропорциональный току lAi проходит по полюсам сердечника в противоположных направлениях. При этом, поскольку обмотки ТВМ соединены встречно, ЭДС обеих обмоток суммируются арифметически: Эдс ЕА равна удвоенной ЭДС каждой обмотки. 179
Рис. 3.24. Магнитные трансформаторы тока: а — расположение ТТ относительно проводов контролируемой установки; б - конструкция ТТ типа ТВМ Магнитные потоки, создаваемые токами других фаз (напри- мер, Ф'в и Фв, пропорциональные току /5), проходят по полюсам ТВМ в одном направлении, и индуцируемые ими ЭДС в обмот- ках вычитаются. Благодаря этому уменьшаются помехи, со- здаваемые в ТВМ токами соседних фаз. Трансформаторы ТВМ устанавливаются на разъединителях или отделителях высо- кого напряжения и крепятся с помощью фиксаторов из немаг- нитного материала. В связи с внедрением микроэлектронных и микропроцес- сорных РЗ, имеющих очень малое потребление цепей тока и напряжения, разрабатываются ТТ и TH, в которых информация о значениях тока и напряжения передается с помощью воло- конно-оптических каналов. Существует несколько способов выполнения таких измерительных трансформаторов. Один из них основан на установке на потенциале ЛЭП маломощных датчиков тока и напряжения и системы преобразования ин- формации о токах и напряжениях в цифровую форму. Эта ин- формация передается по оптическому каналу, имеющему хо- рошие изолирующие свойства, на оптико-электронные прием- ники, расположенные на потенциале земли, где осуществля- ется обратное преобразование световых импульсов в напряже- ния, пропорциональные току и напряжению ЛЭП. Такие ТТ и TH пока не получили широкого распространения, так как в энергосистемах продолжается использование электромехани- ческих устройств РЗ, потребление которых велико, и мощ- ности оптико-электронных ТТ и TH оказывается недостаточно. 180
Вопросы для самопроверки 1 Доказать, что схема включения реле на сумму токов трех фаз представляет собой фильтр токов нулевой последователь- ности. 2. К чему может привести неправильная полярность одного трансформатора тока в схеме включения реле на сумму токов трех фаз ? 3. Почему к трансформаторам тока предъявляются высокие требования со стороны РЗ ? 4. Каково назначение четвертого обратного (нулевого) про- вода в схеме полной звезды ? 5. В каких случаях применяются схемы включения реле на разность токов двух фаз ? 6. В чем преимущество комбинированной схемы (неполная звезда и ФТНП) по сравнению со схемой полной звезды ? Глава четвертая МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА 4.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ Одним из признаков возникновения КЗ является увеличе- ние тока в ЛЭП. Этот признак используется для выполнения РЗ, называемых токовыми. Токовые РЗ приходят в действие при увеличении тока в фазах ЛЭП сверх определенного значе- ния. В качестве реле, реагирующих на возрастание тока, слу- жат максимальные токовые реле (см. гл. 2). Токовые РЗ подразделяются на максимальные то- ковые РЗ и токовые отсечки. Главное различие между этими РЗ заключается в способе обеспечения селективности. Селективность действия максимальных токовых РЗ дости- гается с помощью выдержки времени. Селективность токовых отсечек обеспечивается соответствующим выбором тока сра- батывания [10, 26]. 181
4.2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ЛЭП Принцип действия и селективности защиты. Максимальные токовые защиты (МТЗ) являются основным видом РЗ для ее* тей с односторонним питанием. Они устанавливаются в начале каждой ЛЭП со стороны источника питания (рис. 4.1, а). Каж- дая ЛЭП имеет самостоятельную РЗ, отключающую ЛЭП в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее ПС, и резервирующую РЗ соседней ЛЭП. При КЗ в какой-либо точке сети, например в точке К1 (рис. 4.1, а), ток КЗ проходит по всем участкам сети, расположен- ным между источником питания и местом повреждения, в результате чего приходят в действие все РЗ (1, 2, 3, 4). Однако по условию селективности сработать на отключение должна только РЗ 4, установленная на поврежденной ЛЭП. Для обес- печения указанной селективности МТЗ выполняются с выдерж- ками времени, нарастающими от потребителей к источнику питания, как это показано на рис. 4.1, б. При соблюдении это- го принципа в случае КЗ в точке К1 раньше других сработает Рис. 4.1. Максимальные токовые РЗ в радиальной сети с односторонним питанием: а — размещение МТЗ; б — выдержки времени МТЗ, выбранные по ступен- чатому принципу; в — характеристи- ки зависимости выдержки времени от тока цепи в реле МТЗ; г — схема сети, поясняющая работу РЗ; 1 — не- зависимая; 2—зависимая; 3 — ограни- ченно зависимая; АБ — зависимая и БВ — независимая части характерис- тики 182
МТЗ 4 и отключит поврежденную ЛЭП. Защиты 1, 2 и 3, имеющие большие выдержки времени, вернутся в начальное положение, не успев подействовать на отключение. Соответственно при в точке К2 быстрее всех сработает МТЗ 3, а МТЗ 1 и 2, име- ющие большее время, не успеют подействовать. разновидности максимальной токовой защиты. Максималь- ные токовые защиты выполняются на электромеханических и статических реле прямого и косвенного действия (см. §1.8) по трех- и двухфазным схемам (см. § 3.5). По способу питания оперативных цепей МТЗ косвенного действия делятся на РЗ с постоянным и переменным оперативным током. По характе- ру зависимости времени действия от тока МТЗ подразделяют- ся на РЗ с независимой и зависимой характеристиками (рис. 4.1, в). 4.3. СХЕМЫ МТЗ НА ПОСТОЯННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ Структурная схема. На рис. 4.2 приведена структурная схема трехфазной МТЗ с независимой от тока выдержкой времени, характеризующая общие принципы выполнения МТЗ при лю- бой используемой элементной базе. Измерительная часть МТЗ 1 состоит из измерительных органов ИО (в данном случае токовых реле КА мгновенного действия). В трехфазной схеме ИО предусматриваются на каждой фазе, они питаются вторичными токами соответству- ющих фаз ТТ, соединенных по схеме звезды. Логическая часть 2 состоит из логического элемента (ЛЭ), выполняющего функцию ИЛИ (DIV), органа времени Рис. 4.2. Структурная схема трехфаэной МТЗ 183
КТ (обычно одного на три фазы), создающего выдержку вре- мени t, сигнального реле КН. Исполнительный орган 3, выполняемый посредством выходного промежуточного реле KL, или тиристорной схемы, срабатывая, передает команду на отключение выключате- ля Q. Исполнительный орган должен обладать мощным выход, ным сигналом, достаточным для приведения в действие элект- ромагнита отключения (ЭО) YAT привода выключателя. При возникновении повреждения на защищаемой линии срабатывают токовые реле тех фаз, по которым проходит ток КЗ. При этом у электромеханических реле замыкаются кон- такты, у статических - появляется выходное напряжение (сигнал) соответствующего уровня (логическая 1 или логиче- ский 0). Сработавшие ИО воздействуют через логический элемент ИЛИ на орган времени КТ, который по истечении заданной выдержки времени выдает сигнал, приводящий в действие исполнительный орган KL. Последний срабатывает и подает напряжение от источника оперативного тока в электромагнит отключения выключателя YAT. После отключения повреж- дения ток короткого замыкания прекращается, измеритель- ные органы и все элементы РЗ возвращаются в исходное со- стояние. Для успешного размыкания тока, проходящего по ЭО (УАТ), контактами промежуточного реле KL после отклю- чения КЗ в цепи отключения на приводе выключателя преду- сматривается блокировочный вспомогательный контакт (БК) SQ. При включенном выключателе SQ замкнут (рис. 4.3, бив) и размыкается при отключении выключателя Q, разрывая цепь тока электромагнита отключения YAT. В схеме с выходным промежуточным реле размыкание цепи тока, питающего электромагнит отключения с помощью SQ, необходимо, поскольку контакты промежуточного реле KL не рассчитываются на разрыв относительно большого тока электромагнита отключения YAT. При тиристорной схеме от- ключения выключателя, для прекращения тока в цепи YAT, также необходимо использовать БК, так как тиристор не мо- жет закрыться сам при исчезновении открывшего его сигнала. Время действия рассмотренной МТЗ определяется выдерж- кой времени, установленной на реле времени КТ, и не зави- сит от значения тока КЗ, поэтому такая РЗ называется защи- 184
т0Й с независимой выдержкой времени и имеет характеристи- ку г =/(/р) в виде прямой линии I на рис. 4.1, е. Принципиальные схемы МТЗ на постоянном оперативном токе. Схемы на электромеханических реле. На рис. 4.3 приведе- на трехфазная схема МТЗ, выполненная на электромеханиче- ских реле, которые пока еще преобладают в электрических сетях нашей страны. Построение схемы и все ее элементы со- ответствуют структурной схеме (см. рис. 4.2). Три измеритель- ных органа (рис. 4.3, а) выполняются с помощью трех реле РТ-40, орган времени - с помощью реле типа РВ-100, исполни- тельный элемент - посредством промежуточного реле типов РП-20, РП-16 или других промежуточных реле, контакты кото- рых рассчитаны на ток электромагнита отключения выключа- теля. Из рассмотрения схемы понятно, что эта защита дей- ствует при всех видах КЗ. В случае недостаточного значения тока при в нулевой провод включается реле КА0 (на схе- ме оно не показано), чувствительность которого выше, чем у реле КАф в фазах, так как КА0 не надо отстраивать от /нагргпах. Контакты реле КА соединяются по схеме ИЛИ. Питание опе- ративных цепей защиты осуществляется постоянным током с шин управления (ШУ) через свои предохранители, а электро- магнит отключения ЭО от других предохранителей. Трехфаз- ные схемы обычно применяются в сетях с глухозаземленными нейтралями (в России это сети ПО кВ и выше). б) Рис. 4.3. Принципиальная схема трехфазной МТЗ: а — токовые цепи; б — оперативные цепи защиты с независимой характеристикой; в — оперативные цепи за- шиты с зависимой характеристикой 185
Схемы на интегральных микроэлементах. На рис. 4.4 в ка- честве примера приведена принципиальная схема трехфазной МТЗ (одна из возможных), построенная на ИМС. Рассматрива- ется вариант трехфазной схемы в односистемном исполнении, при котором вместо трех ИО тока (реле тока) устанавливается один орган, реагирующий на все виды КЗ. Такое исполнение защиты уменьшает количество измерительных реле, что упро- щает схему. Как уже отмечалось в § 2.14, полупроводниковый ИО тока (реле тока) имеет три узла: входной узел (ВУ), преоб- разующий входной сигнал; узел сравнения (УС), сравнивающий его с заданной величиной (уставкой срабатывания); узел вы- хода (УВ), формирующий выходной сигнал ИО достаточного уровня, воздействующий на элементы логической части за- щиты. Входной узел получает сигналы в виде синусоидальных мгновенных значений токов трех фаз (д, (3, ic от измеритель- ных ТТ защищаемого объекта. Эти токи промышленной часто- ты с помощью трех промежуточных ТТ LTAa, LTA^, LTAq пре- образуются в токи заданного уровня и поступают соответствен- но на вход выпрямительных мостов VSA, VS в, VSg, которые превращают переменный ток ПТТ в выпрямленный ток постоян- ного знака. Чтобы обеспечить действие реле тока односи- стемной МТЗ при всех видах КЗ, выходы трех выпрямительных мостов соединяются между собой последовательно (рис. 4.4, а), образуя общую цепь выпрямленного тока, замкнутую на вы- ходной резистор ^ых. При таком исполнении схема входного блока работает как максиселектор. На выходном резисторе схемы (Яды*) выделяется один выходной сигнал ВУ в виде на- пряжения (идвьи = соответствующий наибольше- му из мгновенных токов фаз, поступающих на вход узла. Мгно- венное значение выпрямленного тока гвых тах, протекающего по Явых, определяется входным током igX и ему пропорциональ- но. В качестве примера проследим, как проходит ток по вы- ходной цепи выпрямителей У5д, VSg, VSC при трехфазном КЗ. Допустим, что в данный момент из трех входных мгновенных токов большим является ток положительной полуволны 1д. В этом случае мост будет работать в режиме N (два диода от- крыты положительным током, два других заперты), а четыре диода каждого моста с меньшими токами VSb и VSc под дей- ствием большего выпрямленного тока Оу^д) будут открыты (работают в режиме А). С учетом этого выпрямленный ток 186
Рис. 4.4. Принципиальная схема МТЗ на ИМС: а—схема ИО тока; б — логическая схема
+ 1у5А’ проходя через свой выпрямитель, открывает диоды мос- тов VSB и VSC, замыкается через них, через резистор Явых и возвращается в VSA. При этом меньшие токи замыкаются по открытым диодам своих мостов, не выходя за их пределы, а на зажимах появляется напряжение up = ВЫХ г •'вых ги-г» вых» которое поступает на узел сравнения. Узел сравнения ИО на рис. 4.4, а построен на время- импульсном принципе1. Устройство и принцип работы подоб- ных ИО рассмотрены в гл. 2, поэтому ниже дается краткое опи- сание работы в схеме МТЗ. В состав узла сравнения, выполня- емого по указанному принципу, входят: пороговое устройство А1, построенное на ОУ с постоянным опорным напряжением положительного знака 17оп на Н-входе усилителя; времясравнивающая цепочка, образованная резисторами R5-R6, конденсатором С1 и двухсторонним стабилизатором VD8- второе пороговое устройство А2, выполненное по схеме триг- гера на ОУ с положительной обратной связью (Uqc ~ ^8), по- ступающей на Н-вход по резистору R9. Работа триггера опреде- ляется значением и знаком напряжения на инвертирующем входе, поступающем с конденсатора Cl(Uci)’ Работа схемы. В нормальном режиме, когда по защищаемому объекту проходят токи нагрузки, мгновенное значение выпрям- ленного напряжения (uJ?BbDe )> поступающего с выходного узла УВ на И-вход А1, меньше UonAi. При этом входное напряжение А1 (и ~ Uoni) имеет отрицательную полярность, поэтому на выхо- де А1 устанавливается напряжение (4ыхЛЬ положительное по знаку (противоположное знаку входного сигнала) и наиболь- шее по значению 12-13 В (при Еп - ± 15 В), поскольку при от- сутствии обратной связи ОУ работает в насыщенной части вы- ходной характеристики (см. гл. 2). Под действием этого на- пряжения через резистор R5 происходит заряд конденсатора 1 Согласно этому принципу ИО тока срабатывает при условии, что сигнал, поступающий на вход УС (uRBb,y,^ превышает 17оп в течение времени tn ~ = — — tH, где tn - время превышения; Т - период тока (50 Гц); tH - время, в те- чение которого uJ?BbIX < Цэп- Время tn обеспечивает отстройку от импульсных помех высокой частоты. 188
Cl до наибольшего положительного напряжения + Uci> ограни- ченного стабилитроном VD8. При положительном напряжении на И-входе А2 его выходное напряжение имеет отрицательное наибольшее для ОУ значение. В этом режиме орган тока не ра- ботает, так как при отрицательном напряжении диод VD5 от- крыт и транзистор VT1 выходного узла заперт и сигнал на пуск логической схемы (рис. 4.4, б) отсутствует (элемент времени КТ и реле KL). При КЗ в сети защищаемого объекта мгновенное выпрямлен- ное напряжение Ч??ВЬ1Х становится больше UQU на время, пока и > uQnAi> напряжение на входе ОУ (и/?ВЬ!Х - UonAi) изме- няет свой знак (с на А1 переключается и на его вы- ходе появляется максимальное напряжение отрицательного знака (-(/ВЫХА2)- Под действием напряжения отрицательного знака конденсатор С1 по резисторам R5 и R6 (диод VD закрыт) перезаряжается, напряжение Uci уменьшается, и после про- хождения через нулевое значение UCj становится отрицатель- ным и начинает увеличиваться по абсолютному значению. Через некоторое (заданное) время fn напряжение на конденса- торе будет - ПС1, а следовательно, и на И-входе А2 достигнет уровня, при котором А2 переключится и на его выходе появит- ся максимальное положительное напряжение иВыиА2' Под действием этого напряжения диод VD5 выходного узла запирается, тогда на базе VT1 появляется положительный сигнал - транзистор Т1 открывается, и выходной узел ИО МТЗ передает на логическую схему команду на срабатывание. Элемент времени КТ (рис. 4.4, б) срабатывает с заданной вы- держкой времени, промежуточное реле KL2 замыкает контак- ты и посылает импульс на отключение выключателя защи- щаемого объекта. После отключения КЗ входной ток, а следо- вательно, и напряжение URBblx снижаются и становятся мень- ше опорного напряжения А1 - ИО тока и логические элементы МТЗ возвращаются в исходное состояние. В качестве ИО используется реле тока типа РСТ-13 или реле типа ТО111, входящее в комплект устройств ЯРЭ-2201, пред- назначенных для выполнения РЗ в КРУ 6—10 кВ. Для создания выдержки времени в рассматриваемой схеме могут использо- ваться статическое реле времени из комплекта ЯРЭ-2201 ти- па ВО200 с регулировкой времени от 0,2 до 12 с или реле РВ-01 189
с регулировкой времени от 0,1 до 10 с. В качестве промежуточ- ных реле применяются малогабаритные реле типа РП-13 и реле с магнитоуправляемыми контактами типа РПГ-5. Защита с зависимой характеристикой. Наряду с независимой применяется МТЗ с зависимой и ограниченно зависимой ха- рактеристиками (кривые 2 и 3 на рис. 4.1, в). Оба вида зависи- мых МТЗ выполняются при помощи токовых реле, работающих не мгновенно, а с выдержкой времени, зависящей от значения тока. В схеме зависимой МТЗ на рис. 4.2, г, кроме реле времени, отсутствуют промежуточное и указательное реле, так как ре- ле типов РТ-80 и РТ-90 имеют контакты достаточной мощности и сигнальный флажок, выпадающий при срабатывании реле. Статические ИО тока использованы в МТЗ с зависимой харак- теристикой в устройстве типа ЯРЭ-2201, выпускаемом ЧЭАЗ. В отличие от РЗ с независимой характеристикой (прямая 1 на рис. 4.1, в) МТЗ с зависимой характеристикой (кривые 2 и 3) действуют при токах Ip = (1 - 2)Т_3 со значительно большей вы- держкой времени, чем при КЗ, что улучшает отстройку РЗ от кратковременных перегрузок (1п). Защиты с зависимой характеристикой позволяют также уско- рить отключение при повреждении в начале ЛЭП (точка К1 на рис. 4.1, г). Однако согласование выдержек времени неза- висимых МТЗ значительно проще (см. § 4.5). Трехфазные схемы МТЗ, приведенные на рис. 4.3, в, г, реаги- руют на все виды КЗ, включая и однофазные, и поэтому их можно применять в сети с глухозаземленной нейтралью, где возможны как междуфазные, так и однофазные КЗ. Схемы двухфазной защиты на постоянном оперативном токе. В случае, когда МТЗ должна действовать только при между- фазных КЗ, применяются двухфазные схемы с двумя или од- ним токовым реле. Двухрелейная схема с независимой характеристикой (рис. 4.5, а, 6). Токовые цепи МТЗ выполняются по схеме непол- ной звезды (см. § 3.6). Достоинством двухрелейной схемы яв- ляется то, что она, реагируя на все междуфазные КЗ, экономич- нее трехфазной схемы (два ТТ и реле вместо трех). К недостаткам двухфазной схемы с двумя реле нужно от- нести ее меньшую чувствительность (по сравнению с трехфаз- ной схемой) при двухфазных КЗ за трансформатором с соедине- нием обмоток y/a (см. рис. 3.18). При необходимости чувстви- тельность двухфазной схемы можно повысить, установив третье 190
S) Рис. 4.5. Двухфазные схемы МТЗ: двухрелейная: а — цепи переменного тока; б — цепи постоянного тока; одно- релейная: в — цепи переменного тока; г — цепи постоянного тока токовое реле в общем проводе токовых цепей. В этом проводе (см. §3.6) протекает геометрическая сумма токов двух фаз, питающих схему, равная току третьей (отсутствующей в схеме) фазы В. С дополнительным реле двухфазная схема становится по чувствительности равноценной трехфазной. Двухфазные схемы широко применяются в сетях с изолированной нейт- ралью, где возможны только междуфазные КЗ. Двухфазные схемы применяются в качестве МТЗ от междуфазных КЗ и в сетях с глухозаземлеиной нейтралью. При этом для отключе- ния однофазных КЗ устанавливается дополнительная МТЗ, реагирующая на ток НП. Однорелейная схема (рис. 4.5, в, г). Защита состоит из тех же элементов, что и предыдущая схема, но выполняется одним токовым реле КА, которое включается на разность токов двух фаз /р = 1а - 1с и реагирует на все случаи междуфазных КЗ. К недостаткам, ограничивающим применение схемы, нужно отнести меньшую чувствительность по сравнению с двухрелей- ной схемой при КЗ между фазами АВ и ВС; недействие МТЗ при одном из трех возможных случаев двухфазного КЗ за транс- форматором с соединением обмоток г/д (см. §3.6), когда 1р « = /а-/с = 0. 191
Однорелейная схема находит применение в распределитель- ных сетях 6-10 кВ, питающих трансформаторы с соединением обмоток т/y и для РЗ электродвигателей. Двухфазная защита с зависимой характеристикой. Токовые цепи этой МТЗ выполняются так же, как и РЗ с независимой характеристикой (рис. 4.5, а, в). В качестве реле тока с зависи- мой характеристикой выдержки времени в отечественных схемах используются реле типов РТ-80 и РТ-90. Схемы оператив- ных цепей МТЗ аналогичны схемам на рис. 4.5, б, г за исклю- чением того, что в них отсутствуют реле времени (КТ). 4.4. ПОВЕДЕНИЕ МТЗ ПРИ ДВОЙНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ В сети с изолированной нейтралью возможны одновременные замыкания на землю разноименных фаз в двух разных точках сети (рис. 4.6). В этих случаях желательно отключить не обе поврежденные ЛЭП, а только одну из них - W1 или W2. При случайном расположении ТТ (на разных участках, на разноименных фазах) МТЗ может работать неправильно, если оба замыкания на землю возникнут на тех фазах, где ТТ нет, как это показано на рис. 4.6. В этом случае МТЗ обеих повреж- денных ЛЭП не подействуют, что повлечет неселективное отключение источника питания сети. Из рис. 4.7 нетрудно установить, что при размещении ТТ на одноименных фазах А и С повреждения будут отключать- ся селективно (т. е. в одной точке сети), за исключением сле- дующих случаев: а) если более удаленное от источника питания замыкание на землю (в точке К2) окажется на фазе В, не имеющей ТТ, а второе на фазе А или С (рис. 4.7, а), то в этом случае подей- ствует МТЗ и отключит ближнюю к источнику питания ЛЭП W1- Трехфазная МТЗ в этих условиях обеспечивает селектив- ное отключение W2; б) если оба замыкания на землю возникнут на ЛЭП W1 и W2, имеющих МТЗ с одинаковыми выдержками времени и на тех фазах (А и С), которые оборудованы ТТ (рис. 4.7, б), то двух- фазные МТЗ обеих ЛЭП отключат обе точки повреждения одновременно, т. е. обе МТЗ работают неселективно. Совершен- но так же в этом случае действует МТЗ и в трехфазном испол- нении; 192
Рис. 4.6. Неправильная расстановка ТТ двухфазных МТЗ в сети с изолированной нейтралью рис. 4.7. Различные случаи работы двухфазной МТЗ при замыканиях на землю в двух точках при правильной установке ТТ (на одноименных фазах): а - неселективное отключение участка; б — неселективное отключение од- новременно двух ЛЭП; в — селективное отключение только одной ЛЭП 193
в) если одно повреждение (К1) возникает на фазе В, не име- ющей ТТ, а второе (К2) - на фазе А или С, имеющей его (рис. 4.7, в), то двухфазная МТЗ работает только на одной из двух поврежденных ЛЭП, в результате чего одна из поврежден- ных ЛЭП остается в работе. Трехфазная МТЗ в приведенном случае действует неселективно, отключая обе ЛЭП при лю- бом сочетании поврежденных фаз. Таким образом, в первом из трех приведенных случаев (рис. 4.7, в) имеет преимущество трехфазная схема, а в третьем (рис. 4.7, в) - двухфазная, которая действует правильно в 2/3 случаев повреждений. С точки зрения ликвидации двой- ных замыканий на землю двухфазная схема имеет преимуще- ство перед трехфазной, что и обусловливает ее применение. 4.5. ВЫБОР ТОКА СРАБАТЫВАНИЯ Исходным для выбора тока срабатывания МТЗ является требование, чтобы она надежно работала при повреждениях на защищаемом участке, но в то же время не действовала при максимальном рабочем токе нагрузки 1нтах и кратковре- менных перегрузках, вызванных пуском и самозапуском электродвигателей (см. гл. 18), а также нарушением нормаль- ного режима электрической сети. Электродвигатели имеются в составе большей части элект- рических нагрузок. При понижении или исчезновении напря- жения, вызванном КЗ либо кратковременным перерывом электроснабжения потребителей при действии АПВ или АВР, электромагнитный момент вращения электродвигателей уменьшается, и они начинают тормозиться. При этом наиболее важные для производства электродвигатели оказываются полностью или частично заторможенными, оставаясь подклю- ченными к сети. При восстановлении напряжения они начина- ют разворачиваться (самозапускаются), потребляя из сети повышенные пусковые токи. Суммарный ток во время само- запуска может существенно превосходить суммарный макси- мальный рабочий ток нагрузки 1ртах установившегося режима. Увеличение тока нагрузки из-за самозапуска электродвига- телей принято оценивать коэффициентом самозапуска Ксзп» показывающим, во сколько раз возрастает ток 1ртах. Для от* стройки МТЗ от I» max необходимо выполнить два условия. 194
76 Рис. 4.8. К выбору тока срабатывания МТЗ с учетом коэффициента возврата реле По первому условию МТЗ, пришедшая в действие при КЗ в сети (вне защищаемой ЛЭП), должна надежно возвращать- ся в исходное состояние после отключения КЗ при наличии в защищаемой ЛЭП тока нагрузки 1нтах (рис. 4.9, а). Так, на- пример, при КЗ в точке К1 (рис. 4.8) токовые реле МТ31 и МТ32 приходят в действие. После отключения действием МТ32 по- врежденной ЛЭП W2 ток КЗ прекращается и в неповрежден- ной ЛЭП W1 остается ток /нтах, питающий нагрузку Нв. При этом ИО MT3I, пришедшие в действие при КЗ, должны возвра- титься в исходное положение. Для обеспечения возврата МТ31 (рис. 4.8) ее ток возврата 1ВСЗ должен быть больше максимального тока нагрузки 1ктах, проходящего по ЛЭП W1 и ее МТ31 после отключения КЗ (^воз > ^нтах^’ ^воз ~ ^OTcAimax' (4.1) где fc0TC - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность Рис. 4.9. Характерные схемы сети для определения максимального тока на- грузки при выборе тока срабатывания МТЗ: о — при отключении параллельной ЛЭП; б - при отключении одной ЛЭП и действии АВР; в — при АПВ линии, питающей нагрузку, имеющую электродви- гатели 195
токового реле МТЗ; 1нтах в общем случае равен ксзп1ртах. Подставив это значение вместо IHm<ax в М.1), найдем 4оз 4>тс4:зп4 max • (4.1а) Коэффициент отстройки /с0ТС для реле типов РТ-40, РТ-80 и статических реле принимается равным 1,1-1,2. Учитывая, что соотношение /воэ/4.з определяется кв (см. § 2.2), подстав- ляем в это соотношение /воэ из (4.1а). Зная значение к3 для рассматриваемых реле, находим первичный ток срабатывания, обеспечивающий возврат МТЗ при 1ктах по первому условию: *оте 2с.з . ксзп2ртах- По второму условию ИО тока, находящиеся в состоянии не- действия МТЗ, не должны срабатывать при появлении 1Нтах: 4.3 > hmax- М.3) Наибольшее значение 1Нтах имеет обычно в трех после- аварийных режимах: а) при отключении одной из параллельных линий нагрузка на оставшейся удваивается (рис. 4.9, а); б) при успешном включении от АПВ (или вручную) повреж- денной ЛЭП с подключенной к ней нагрузкой (например, на рис. 4.9, в при включении от АПВ W1); в) если к ЛЭП с рассматриваемой МТЗ (рис. 4.9, в), находя- щейся в работе и питающей нагрузку с током 1рй61, при дейст- вии АВР подключается дополнительная нагрузка, оставшаяся без напряжения из-за отключения питавшей ее ЛЭП (W2 на рис. 4.9, б). Характер изменения токов в режиме б) и в) аналогичен по- казанному на рис. 4.10,а. В режиме б) в защищаемой ЛЭП W1 и МТЗ появляется ток 1^тах = ксзп1р тах. Ток срабатывания МТЗ выбирается по выражению 4.з = 4зтс41 max' (4.4) В третьем режиме после отключения W2 АВР подает напря- жение на нагрузку Нс от W1. Начинается самозапуск. Полный ток нагрузки W1 после действия АВР 4i max W1 ~ IpmaxWl + 4гпах"72^сэп • 196
Рис. 4.10. Характер изменения тока и напряжения в ЛЭП при КЗ в сети и после его отключения: ___. —ток;----—напряжение Чтобы исключить срабатывание МТЗ на W1, ток срабатыва- ния РЗ согласно условию (4.3) рассчитывается по выражению ^с.э = ^отс^н max ~ ^отс^р max W1 + ^сзп-^р max W2)- (4.5) Из двух значений /сз, полученных по (4.2) и (4.4) или (4.5), принимается большее. Вторичный ток срабатывания реле /с.р находится с учетом коэффициента трансформации ТТ и схемы включе- ния реле, характеризуемой коэффициентом схемы ксх (см. § 3.6): 1С р = (4.6) К1 Для схемы соединения в звезду (полную и неполную) ксх = = 1. При включении реле на разность токов двух фаз ксх - = л. Из выражений (4.2), (4.4), (4.5) следует, что значение /с>3 зави- сит не только от /pmQX, но также от /св и /ссзп. В целях уменьше- ния 1: 3 для повышения чувствительности МТЗ при КЗ стремят- ся применять токовые реле с высоким кв. Значения ксзП принимаются равными 3-6 для нагрузки с пре- обладанием электродвигателей; 1,5-2 - при малом удельном значении электродвигателей. Когда электродвигатели состав- ляют почти 100% нагрузки, ток самозапуска можно рассчиты- вать как трехфазное КЗ за сопротивлением полностью затормо- женных электродвигателей. Выбрав ток срабатывания МТЗ, следует проверить согласо- вание ее по чувствительности с МТЗ следующего смежного 197
МТЗв МТЗ в Зона резервиро- вания МТЗв и МТЗВ Рис. 4.11. К проверке чув- ствительности МТЗ Зона МТЗА участка радиальной сети. В общем случае МТЗ п, ближе распо- ложенная к источнику питания, должна быть грубее, чем МТЗ п + 1, расположенная дальше. Пля этого необходимо выполнить условие 4.3П > ^С.З(Л + 1) ИЛИ 1С,ЗП = ^ОТС^С.З(П + 1 )> (4.6а) где котс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле по току срабатывания, равный 1,1-1,5. Поскольку 1С 3 выбирается по току нагрузки, то практически условие согласования чувствительности смежных МТЗ всегда выполняется, так как чем ближе ЛЭП (и МТЗ) к источнику пи- тания, тем больше ее нагрузка, а следовательно, и ток 1СЭ. Чувствительность МТЗ. Проверка ведется по минимальному значению тока КЗ 1кт1П при повреждении в конце зоны МТЗ, которая должна охватывать защищаемую ЛЭП и резервировать РЗ следующего участка (второго), т. е. линию W2 и трансформа- торы, отходящие от шин приемной подстанции В (рис. 4.11). Минимальный ток КЗ рассчитывается для реального минималь- ного режима на электростанциях и в сетях, питающих ЛЭП. Чувствительность МТЗ оценивается коэффициентом чувстви- тельности = -Гкга,„//С.з- (4'7’ Коэффициент чувствительности для защищаемой ЛЭП счи- тается допустимым, если кч > 1,5, при КЗ на резервируемом участке допускается кч > 1,2.
4.6. ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ ЗАЩИТЫ Ступень времени. Для обеспечения селективности выдержки времени МТЗ выбираются по ступенчатому принципу (см. рис. 4.1). Разница между временем действия МТЗ двух смежных участков (например, А и В на рис. 4.12) называется ступенью времени или ступенью селективности: At = tA - tp • (4.8) Ступень At должна быть такой, чтобь/ при КЗ на каком-ни- будь участке сети (например, на Wb) МТЗ соседнего участка (т. е. на ИА) не успевала сработать. Чтобы МТЗ ЛЭПА не сработала при КЗ на предыдущем участ- ке, она должна иметь выдержку времени, большую времени отключения на Wg: Ч А f3 В + *п В + В > где г3 в - выдержка времени МТЗ В; 1Пв _ положительная по- грешность в сторону замедления реле времени МТЗ В; tBB - время отключения выключателя Wg с момента подачи импуль- са в катушку отключения до разрыва тока КЗ контактами вы- ключателя. Приняв запас t3an и учтя, что МТЗ А может из-за погрешности реле времени снизить выдержку времени на ве- личину tn А (отрицательная погрешность), получим А Б + В + в + tn д + t3an • (4.8а) Отсюда минимальная ступень времени (4.9) At — t3 А - t3 в — tn в + tB в *" tn А + ^зап- Защита, линии (НТЗЙ) Рис. 4.12. Ступенчатый принцип выбора выдержек времени: At — ступень времени (а); согласование действия МТЗ соседних участков (б); выбор характеристик зависимых МТЗ (в) 199
Согласно выражению (4.9) выбирается ступень для МТЗ с независимой характеристикой. Что касается МТЗ с зависимой характеристикой, выполняемых с помощью индукционных реле, то они могут продолжать работать по инерции после от- ключения тока КЗ. Поэтому ступень времени у таких МТЗ долж- на быть увеличена на время инерционной ошибки реле tH: Л£ = fnB + + fnA + + Гзап- (4.10) Для применяемых в эксплуатации реле и выключателей ступень времени колеблется у МТЗ с независимой выдержкой времени в пределах 0,35-0,6 с, а у МТЗ с зависимой или ограни- ченно зависимой характеристикой 0,6-1 с. При согласовании с быстродействующей РЗ погрешность ее не учитывается (tn5 = = 0), и тогда = 0,35 + 0,4 с. Выбор времени действия МТЗ. Согласование МТЗ с независи- симыми характеристиками. Считая, что выдержка времени МТЗВ задана, выдержку времени МТЗА (см. рис. 4.11) опреде- ляют по выражению = (зВ + (4Л1) Согласование МТЗ с зависимыми характеристиками. Выдерж- ки времени МТЗ с зависимой или ограниченно зависимой ха- рактеристикой также должны удовлетворять условию (4.11), но, поскольку время действия этих реле зависит от тока, необ- ходимо задавать пределы тока, при которых это условие долж- но выполняться. Положим, что ЛЭП, показанные на рис. 4.12, а, оборудованы МТЗ, имеющей ограниченно зависимую характе- ристику. Требуется выбрать характеристику МТЗА (рис. 4.12, а) и согласовать ее с характеристикой МТЗВ, которая известна. МТЗА должна иметь время на ступень больше МТЗВ при всех КЗ в пределах зоны совместного действия МТЗА и МТЗВ, т. е. на Wp. Если при КЗ в точке К1 (начало зоны МТЗВ) ток КЗ, проходящий через МТЗА и МТЗВ, равен [&, то при всех КЗ за точкой К1, т. е. в зоне работы МТЗВ, токи КЗ будут меньше. Следовательно, условие селективности (4.11) должно выпол- няться при токе max и всех токах, меньших его. В случае КЗ на ЛЭПА время действия МТЗА не должно согласовываться с МТЗВ и может быть сколь угодно малым; при этом ток КЗ, про- ходящий через МТЗА, будет больше 1^1 max- Из этих условий вы- текает следующий порядок подбора зависимых характеристик: 200
1) строится исходная характеристика t =f(I) МТЗВ, с которой согласуется МТЗА (рис. 4.12, 6); 2) определяется максимальное значение токов КЗ 1щ тах, проходящих через МТЗА и МТЗВ при повреждении в начале участка, защищаемого МТЗВ (в точке К1) (рис. 4.12, а); 3) пользуясь заданной характеристикой МТЗВ, находим ее выдержку времени t^j при токе Irj тах, т. е. при КЗ в начале за- щищаемой зоны, в точке К1 (рис. 4.12, б); 4) по условию селективности выдержка времени МТЗА при токе Im тах должна превышать время tBj МТЗВ на ступень At: tA1 > tB} + At. (4.12) Это условие должно выполняться при токах I < Iri maxi 5) выбранная характеристика МТЗА строится совместно с ха- рактеристикой МТЗВ для наглядной проверки выполнения условия (4.12) при токах КЗ, равных и меньших Iki max- Совмест- ное построение характеристик нескольких МТЗ удобно вести относительно первичных фазных токов, но при этом нужно учи- тывать схему соединения токовых цепей МТЗ, от которой зави- сит соотношение между током в реле и током в фазе, т. е. ксх. Если согласуемые МТЗ находятся на разных сторонах силового трансформатора, то их характеристики нужно привести к токам одного напряжения. Выдержка времени МТЗА с независимой характеристикой при согласовании ее с ограниченно зависи- мой характеристикой МТЗ отстраивается по времени (рис. 4.12, в) от t3 в при токе 1$ = 1С>3 А : tc>3 А = t^3 в + At. При токах /в > Ц.зА выдержка времени уменьшится и, следовательно, селективность будет обеспечена. 4.7. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С ПУСКОМ ОТ РЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ Для повышения чувствительности МТЗ дополняется измери- тельным органом (блокировкой) напряжения (ОН), который, разрешая РЗ действовать при КЗ, запрещает ей срабатывать (блокирует) в режиме максимальной нагрузки и при само- запуске электродвигателей. Структурная схема МТЗ с дополнительным органом напря- жения показана на рис. 4.13. Измерительный орган напряжения (ИОН) выполняется с помощью реле минимального напряжения 201
Рис. 4.13. Структурная схема МТЗ с пуском по напряжению Рис. 4.14. Схема МТЗ с пуском от реле ми- нимального напряжения: а — оперативные цепи; б — цепи пере- менного напряжения kvbc kvca б) KV и действует совместно с реле КА измерительного органа то- ка (ИОТ) по логической схеме И на пуск реле времени. Во время КЗ, когда возрастает ток и уменьшается напря- жение, срабатывают оба измерительных органа ИОН и ИОТ и с заданной выдержкой времени МТЗ действует на отключе- ние. Если же в результате перегрузки защищаемого элемента токовые реле КА приходят в действие, ИОН блокирует РЗ, так как реле напряжения не действуют. Недействие ИОН при пе- регрузке обеспечивается выбором уставки срабатывания реле KV такой, чтобы оно не срабатывало при минимальном рабочем напряжении Upmj-n- благодаря этому ток срабатывания КА отстраивается не от 1нтах, а от тока нагрузки нормального ре- жима /р.норм: Ic,3 = -^1р.норм. (4.13) яв 202 1
Рис. 4.15. Схема МТЗ с комбинированным пуском от реле минимального напря- жения и реле напряжения ОП: а — оперативные цепи; б — цепи переменного напряжения Сравнив выражения (4.2) и (4.13), можно убедиться, что чув- ствительность токовых реле МТЗ с пуском по напряжению вы- ше чувствительности реле без пуска по напряжению. Пусковой орган по напряжению в схеме на рис. 4.14 выпол- нен с тремя реле, включенными на междуфазные напряжения (рис. 4.14, б). Такая схема обеспечивает надежное срабатывание ИОН при любом виде междуфазных КЗ, поскольку при этом значительно снижается хотя бы одно из междуфазных напря- жений. Поскольку в случае обрыва цепи напряжения одно из реле KV сработает и МТЗ может подействовать ложно, если токо- вые реле КА придут в действие от тока перегрузки, в схеме РЗ предусмотрена сигнализация при замыкании контактов ре- ле KL. Уставка срабатывания ИОН определяется по выражению так, чтобы обеспечить восстановление нормального положе- ния реле напряжения (например, размыкание контактов реле минимального напряжения) при восстановлении минималь- ного рабочего напряжения в сети после отключения внешне- го КЗ. Напряжение срабатывания реле напряжения при этом бу- 203
дет равно: min ^отс &U (4.14а) где кв = 1,1 -г 1,25; котс = 1,1 ч- 1,2; Up т,п - остаточное напряжение при самозапуске электродвигателей; Ку - коэффициент транс- формации TH. Чувствительность ИОН при КЗ определяется коэффициентом кч = ^м^кпих» где U&max “ максимальное значение остаточ- ного напряжения при КЗ в конце второго (резервируемого) участка МТЗ; при этом допустимо кч > 1,2. Во втором варианте (рис. 4.15) ИОН выполняется в виде комбинированного устройства из двух реле напряжения KV, KV2. Реле максимального напряжения KV2, включенное че- рез фильтр напряжения обратной последовательности, реаги- рует на появление составляющей ОП U2 и служит для пуска МТЗ при несимметричных КЗ. Реле минимального напряжения KV, включенное через размыкающий контакт KV1, предназна- чено для действия ИОН при трехфазных КЗ. Такая схема ИОН по сравнению с первым вариантом (рис. 4.14) обеспечивает бо- лее высокую чувствительность как при несимметричных, так и при симметричных КЗ. При несимметричных КЗ появляется напряжение ОП, реле KV2 срабатывает, приводя в действие KV, последнее замыкает контакт KV1, разрешая действовать МТЗ. Уставка срабатывания реле KV2 отстраивается от напряже- ния небаланса С'нб фильтра ZV2: ис,3 = 0,06Ц,.НОМ. (4.15) При трехфазном КЗ в первый момент его возникновения кратковременно (в течение 0,02-0,05 с) появляется несиммет- рия напряжений, сопровождающаяся появлением U2. В резуль- тате этого в первый момент КЗ срабатывает реле KV2 и затем после размыкания контакта KV2.1 реле KV. После исчезнове- ния несимметрии контакт KV2.1 снова замыкается и на реле KV подается напряжение равное остаточному напряжению в месте установки МТЗ. Реле KV останется в сработанном со- стоянии, если (7ВОЗ< U*}. Таким образом, действие реле KV 204
г при №31 определяется не 1/с.р, а 17ВОЗ, которое на 10-15% больше напряжения срабатывания, что и обеспечивает большую чув- ствительность данного типа ИОН при трехфазных КЗ. 4.8. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ Требования к ТТ, питающим оперативные цепи. Источником переменного оперативного тока в схемах МТЗ по соображениям, изложенным в § 1.9, обычно служат ТТ. Основным требованием, предъявляемым к ТТ, питающим оперативные цепи, является условие, чтобы их мощность Spy была достаточна для покрытия мощности, потребляемой оперативной цепью So u, т. е. мощно-1 сти, необходимой для срабатывания электромагнита отклю- чения (ЭО) выключателя Sgo и элементов логической части РЗ 5Л.Ч: STT ^о.ц “ ‘-’ЭО + ^л.ч • (4.16) Большую часть мощности 50<ц составляет потребление ЭО выключателя. В зависимости от типа привода выключателя значение SOtU при токе срабатывания ЭО колеблется от 30 до 1000 Вт. Эта мощность, как правило, превышает значение номинальной мощности ТТ С$ттном)> ПРИ этом токовая погреш- ность ТТ Д1 выходит за пределы значений, допустимых для устройств РЗ. Поэтому в тех случаях, когда из-за большой на- грузки, создаваемой оперативными цепями, погрешность Д1 > 10%, для питания оперативных цепей выделяются отдель- ные ТТ, не связанные с измерительной частью РЗ. Мощность, отдаваемая ТТ STT = 1В(7В, имеет некоторое предельное значе- ние. С учетом того, что вторичное напряжение ТТ UB = IBZH, а вторичный ток 1в = In/Kj - № Stt = = ("V " A'Nh, (4.17) где ZH - сопротивление нагрузки оперативных цепей ТТ (см. §3.1). При некотором оптимальном значении 2Н мощность •$гт достигает своего максимума. При дальнейшем увеличе- 205
Рис. 4.16. Зависимость мощности Syp, отдаваемой ТТ, от нагрузки ZH при раз- личных значениях первичных токов нии ZH погрешность Д7 становится более 50%, значение — - V и - Д7 резко уменьшается и Syp начинает снижаться (рис. 4.16). Таким образом, каждый ТТ имеет предельную мощность ^тттах- Лля отключения выключателей 110-220 кВ с механиз- мом отключения, требующим больших усилий, мощность ТТ оказывается недостаточной. Схемы МТЗ на переменном оперативном токе. Схемы МТЗ с питанием оперативных цепей от источников переменного тока (см. § 1.9) могут выполняться: с непосредственным пита* нием от ТТ по принципу дешунтирования ЭО выключателей; с питанием выпрямленным током, от специальных блоков пи- тания; с питанием от предварительно заряженных конденса- торов. Схемы с дешунтированием электромагнитов отключения выключателя. Подобные схемы МТЗ в отечественной практи- ке выполняются только на электромеханических реле как с зависимой, так и независимой характеристикой выдержки времени. Схемы МТЗ с зависимой характеристикой. На рис. 4.17, а приведена наиболее распространенная двухфазная схема с двумя ТТ, установленными на фазах А и С и с двумя токовыми реле КА 1 и КА2, действующими с выдержкой времени, завися- щей от тока. Трансформаторы тока ТАА и ТАС, питающие то- ковые реле, включенные по схеме неполной звезды, использу- ются как источники оперативного тока. Привод выключателя выполняется с двумя ЭО (YAT1 и YAT2)y которые приходят в действие от токов, проходящих в ТАА и ТАС. Вторичный ток ТТ подается в YAT1 и YAT2 кон- тактами токовых реле КА1 и КА2. Их контакты должны быть рассчитаны на переключение больших токов до 150 А и произ- 206
Рис. 4.17. Двухфазная МТЗ на переменном оператив- ном токе с дешунтирова- нием ЭО: о — с двумя реле РТ-80 или РТ-90; б - с одним реле водить операцию переключения без разрыва вторичной цепи ТТ. Принцип выполнения подобной контактной системы показан на рис. 4.18. В нормальном режиме токовые реле не действуют, их подвижный контакт 3 находится в положении 1, при ко- тором вторичная цепь каждого ТТ замкнута и ее ток питает обмотку соответствующего реле КА. Цепи обоих ЭО (YAT1 и YAT2) разомкнуты. При КЗ одно или оба реле КА срабатывают. Подвижный контакт 3 сработавшего реле, например КА1, переключается и замыкает сначала неподвижный контакт 2 (рис. 4.17 и 4.18), подключая YAT1 ко вторичной цепи ТТ, а затем без разрыва цепи ТТ размыкает контакт 1, дешунтируя при этом YAT1. После дешунтирования весь ток ТАА замыкается через YAT1, который отключает выключатель Q. На рис. 4.17, б приведена двухфазная схема с одним токовым реле КА. В этой схеме привод выключателя имеет один элект- ромагнит отключения YAT. Реле КА и YAT включены на ток /р = /а Рис. 4.18. Контактная система реле РТ-85 и РТ-90, предназначенная для дешунти- рования электромагнита отключения фаз и разрыва цепи тока: --------- - путь тока после замыкания контактов 2 и 3; -* — путь тока до замыка- ния контактов 2 и 3 207
Рис. 4.19. Схема МТЗ с независимой выдержкой времени, выполненная на прин- ципе дешунтирования: а — токовые цепи и цепи отключения; б — цепи реле времени; в — цепи вы- прямленного тока В обеих схемах в качестве токовых реле применяются реле РТ-85 или РТ-90 (см. §2.11), имеющие ограниченно зависимую характеристику времени действия и специальные контакты для дешунтирования электромагнита отключения. Схема защиты с независимой выдержкой времени. На рис. 4.19 изображена схема в двухфазном исполнении с двумя токовыми реле, включенными на токи фаз А и С: КА1 и КА2. Логическая часть схемы состоит из реле времени КТ и проме- жуточных реле KL1 и KL2, дешунтирующих YAT1 и YAT2. Схе- ма выполняется с помощью РТ-40 и специальных реле пере- менного тока: времени РВМ-11, промежуточных РП-361 и ука- зательных. Для ограничения и стабилизации значений токов, посту- пающих в обмотку реле времени КТ (типа РВМ), последняя питается током через промежуточные насыщающиеся транс- форматоры тока (ПНТ) TLA и TLC> При КЗ реле КТ включается на вторичный ток ПНТ (TLA или TLC) контактами пусковых реле тока КА1 или КА2. Однако при двухфазной КЗ между фа- зами А и С будут работать оба пусковых реле и реле КТ ока- жется включенным на сумму вторичных токов 1а + 1с, которая в этом случае равна нулю, поскольку 1а = -1С. Для исключения этого недостатка в схеме предусмотрено размыкание вторич- ной цепи TLC контактами реле КА1, что обеспечивает и в этом случае действие КТ от тока фазы А. Промежуточные ре- £ 208 2
ле KL1 и KL2 включаются через ПНТ на токи 1а и 1с. Обмотки КЫ и KL2 питаются токами через выпрямители VS1 и VS2. Контакты промежуточных реле, дешунтирующие электромаг- ниты отключения, выполняются так же, как у токовых реле в схемах на рис. 4.17 и рассчитаны на переключение до 150 А. При КЗ в зоне сработавшее реле, например КА1, замыкает вто- ричную цепь TLA (рис. 4.19, а), приводя в действие КТ. После замыкания контакта КТ1 (рис. 4.19, в) KL1 переключает кон- такт KL1.1 в верхнее положение без разрыва цепи ТАА. Ток 1а замыкается через YAT1, который отключает выключатель. При срабатывании КА2 или КА1 и КЛ2 вместе схема действует аналогично. Возврат всех реле в исходное состояние происходит после отключения КЗ и, следовательно, при отсутствии тока в ЭО. Поэтому в рассматриваемой схеме и во всех других, у которых оперативные цепи питаются от ТТ, вспомогательный (блоки- ровочный) контакт выключателя в цепи ЭО не требуется. Схемы с дешунтированием имеют особенность, заключа- ющуюся в том, что ТТ до момента срабатывания РЗ нагруже- ны, как обычно, сопротивлением реле и соединительных про- водов. Благодаря этому обеспечиваются нормальные условия работы ТТ с допустимой погрешностью £ < 10%. После срабаты- вания токовых релу МТЗ нагрузка ZH на ТТ резко увеличива- ется из-за подключения ЭО. При этом возрастает погрешность ТТ, а ток, проходящий по реле и ЭО, уменьшается. Для обес- печения надежного срабатывания ЭО и удержания в срабо- танном состоянии всех реле МТЗ необходимо проверять расче- том, что после подключения ЭО ток ТТ [/в = - AT] оста- ется больше /срэо и 4оз реле. Для повышения надежности действия ЭО в схеме на рис. 4.19 предусмотрено отключение выключателя, даже если после подключения ЭО вернутся пусковые реле КА. Реле времени типа РВМ. В схеме применяется особый эле- мент времени, реагирующий на ток ТТ типа РВМ. Основным элементом реле (рис. 4.20) является синхронный однофазный двигатель, состоящий из статора 1 и ротора 2. Обмотка статора питается от ТТ через ПНТ. Благодаря насыщению ПНТ обес- печивается неизменное напряжение на вторичной обмотке, питающей двигатель, при токах в первичной обмотке до 150 А и ограничивается значение вторичного тока, что позволяет замыкать и размыкать ее цепь контактами обычных токовых реле. 209
nn Рис. 4.20. Устройство токового реле времени типов РВМ-12 РВМ-13: 1, 2 - статор и ротор мик- родвигателя; 3—5 — зубчатые колеса; 6 — редуктор; 7 - рам- ка с контактными цилиндра- ми; 8 — контакты; 9 — поводок уставки выдержки времени; 10 - буксирная стрелка; 11 — возвратная пружина; 12 — упор; 13 — замок; 14 — пружина Рис. 4.21. Токовое промежуточ- ное реле типа РП-361 При срабатывании пускового реле РЗ (КА1 или КА2 на рис. 4.19) оно замыкает вторичную цепь трансформатора ПНТ. В двигателе появляется ток, его ротор 2 втягивается в статор, цилиндрическое зубчатое колесо 3 на оси ротора сцепляется с зубчатой передачей (редуктором) 4-6, которая приводит в движение подвижные контакты реле времени 8. Через время tp, определяемое числом оборотов ротора, контакты 8 замыкаются. Ротор вращается с постоянной (синхронной) скоростью м = 2л/» где f - рабочая частота сети (50 Гц). Возврат реле осуществля- ется пружиной И. Ток срабатывания реле регулируется витка- 210
обмоток от 2,5 по 5 А. Недостатком реле является изменение скорости вращения ротора, а следовательно, и выдержки вре- мени при изменении частоты (погрешность составляет 2% на 1 Ги). Подобные реле типа РВМ-12 (на 4 с) и РВМ-13 (на 9 с) вы- пускает ЧЭАЗ, который освоил также выпуск нового реле серии РСВ-13. Токовое промежуточное реле типа РП-361 (рис. 4.21) состоит из электромагнитного реле клапанного типа 4, питающегося от выпрямителя 2. Ток к выпрямителю подается от ПНТ 1, под- ключенного к ТТ. Реле приходит в действие при замыкании обмотки 4 контактами реле времени или пусковых реле (рис. 4.19). ПНТ 1 ограничивает значения напряжения и тока, питающих реле 4, что облегчает условия работы выпрямителя и контактов реле, замыкающих цепь обмотки реле 4. Кроме того, уменьшается потребление реле 4 при больших токах. Конденсатор 3 сглаживает кривую вторичного тока. Ток сраба- тывания реле равен 2,5 или 5 А в зависимости от соединения первичных обмоток ПНТ. Потребление реле при 21ср равно 6 Вт. Наибольшего значения оно достигает при разомкнутой вторичной цепи ПНТ. Переключающие контакты устроены как показано на рис. 4.19 и могут переключать ток до 150 А. Расчет тока срабатывания МТЗ и проверка надежности дей- ствия всех элементов схемы после дешунтирования ЭО состо- ит из четырех этапов. 1. Выбирается первичный и вторичный токи срабатывания токовых реле (1СЗ и 1ср) по (4.4) - (4.6). Проверка погрешности ТТ производится для МТЗ с независимой характеристикой при токе Iz э, а для зависимых - при токе КЗ, при котором задается время действия МТЗ. Сопротивление обмоток реле времени и промежуточных реле Zp принимается наибольшим, т. е. при разомкнутой вторичной цепи ПНТ этих реле. 2. Проверяется надежность работы вспомогательных реле и ЭО после дешунтирования ЭО: ^2 = Wc3O» (4.18) где 1сЭО - ток срабатывания ЭО; ~ вторичный ток ТТ после дешунтирования. Минимальное значение коэффициента чувствительности для ЭО, определяемое для обеспечения их надежного сраба- тывания, должно быть приблизительно на 20% больше кч, 211
принимаемого для соответствующих РЗ [1, 10]. Например, для МТЗ в основной зоне кч « 1,5, а для ЭО кч =« 1,8. В зоне ре- зервирования требуется для МТЗ кч = 1,2, а для ЭО кч 1,44, Аналогично определяется условие надежности работы вспо- могательных реле, чувствительность которых значительно вы- ше чувствительности ЭО. Соответствующий току 12 первичный ток с учетом погреш- ности ТТ, определяемой 1нам, равен: А = (I? + ^намЖ/ = (МсЭО + *нам)К/- (4.19) 3. Проверяется отсутствие возврата реле РТ и РП-341 (РП-361) после дешунтирования ЭО. Для этого необходимо, чтобы вто- ричный ток 12, проходящий по реле после дешунтирования ЭО, удовлетворял условию ^2 ^Ч^ВОЗ = ^н^в^с.р» (4.20) где /В03 и 7С р - токи возврата и срабатывания дешунтирующего реле; кн = 1,2. Коэффициент возврата для электромагнитного элемента реле РТ-85 может приниматься в пределах 0,3-0,4, для дешун- тирующих промежуточных реле типов РП-341 и РП-361 - не более 0,4. Для полупроводниковых реле, у которых кв % 1, в схеме МТЗ должны быть предусмотрены специальные меро- приятия, предотвращающие возврат дешунтирующих органов после их срабатывания и дешунтирования ЭО. Как и в предыдущем случае, соответствующий первичный ток Л (^н^воз + ^намЖ/ (4.21) Ток намагничивания 1нам может быть найден по экспери- ментальной характеристике и = f(J2) (см. § 3.3) или по кри- вым погрешностей ТТ (см. рис. 3.3). 4. Проверяется надежность работы контактов реле, дешун- тирующих ЭО: _ max ^2тах К 150 А, где 1К тах - максимальный ток КЗ. 212 (4.22)
г Если условие (4.22) не выполняется, необходимо определить I с учетом 1Нам’ т- е> насыщения ТТ (см. гл. 3). Если и в этом случае условие (4.22) не обеспечивается, необходимо увели- чить К/ или применить другие схемы оперативного перемен- ного тока. Оценка принципа дешунтирования. Достоинством схем с дешунтированием является их простота, высокая надежность действия при КЗ. МТЗ с дешунтированием нашли широкое при- менение в распределительных сетях 6-10 кВ на присоедине- ниях с выключателями, имеющими пружинные приводы. На выключателях с электромагнитными и пневматическими приводами, выпускаемыми промышленностью, принцип де- шунтирования неприменим, так как мощность ТТ недостаточ- ' на для их отключения. Схемы дешунтирования неприменимы i также для РЗ со сложной логической схемой. Схемы питания оперативных цепей МТЗ от выпрямительных блоков. В тех случаях, когда простейший способ использова- ния ТТ для питания оперативных цепей МТЗ по схеме дешун- тирования не проходит (например, на присоединениях, обору- дованных выключателями с электромагнитными или пневма- тическими приводами, ЭО которых потребляют большую мощность, а также при наличии сложных устройств РЗ, в том числе полупроводниковых), возможно применение выпрями- тельных блоков питания (БП). Блок питания является устрой- ством, преобразующим с помощью выпрямителя переменное 1 напряжение или ток сети в выпрямленное напряжение 1/бп, которое используется для питания оперативных цепей РЗ, цепей отключения выключателей и сигнализации [11]. Применяются два вида блоков: с выпрямленным током, по- , лучаемым от ТТ; с выпрямленным напряжением, получаемым от TH или трансформатора собственных нужд (ТСН). । Схемы токового блока питания (БПТ), включенного на ТТ, и блока напряжения (БПН), включенного на TH или ТСН, приведены на рис. 4.22. Каждый блок состоит из выпрямителя, на вход которого в схеме БПТ (рис. 4.22, а) подается ток от ТТ через ПНТ TLA, а в схеме БПН (рис. 4.22, б) - напряжение TH либо ТСН через промежуточный трансформатор TLV. В обоих блоках промежуточные трансформаторы служат для отделе- ния вторичных цепей ТТ и TH (ТСН) от оперативных цепей Управления и РЗ, а также для получения необходимого уровня 213
Рис. 4.22. Принципиальные схемы блоков питания: а - БПТ-П; б-БПН-Ш выходного напряжения блока и его регулирования. Каждый блок работает на свои сборные шинки управления (ШУ), к которым подключены оперативные цепи [12]. Токовые блоки применяются для питания оперативных це- пей МТЗ от КЗ, а блоки напряжения для РЗ, реагирующих на повреждения и ненормальные режимы, при которых на TH (ТСН) сохраняется напряжение, обеспечивающее необходи- мый уровень напряжения на выходе БПН. Выпрямленное напряжение, получаемое на выходе БП, имеет пульсирующий характер в виде полуволн постоянного знака. Поэтому питание устройств РЗ, построенных на полу- проводниковых элементах, возможно только при установке на выходе блоков сглаживающих фильтров, ограничивающих пуль- сацию выходного напряжения БП до 3%. Для надежного действия РЗ уровень среднего значения на- пряжения на выходных зажимах блоков 17б п должен быть до- статочным для срабатывания элементов логической схемы. Это напряжение не должно быть меньше 0,817НОМ. Наибольшее значение 176 п не может превышать (1,1 - 1,15)17НОМ. Эти преде- лы выходного напряжения должны обеспечиваться при изме- нении входных величин БП от минимального до максималь- ного значения в диапазоне действия РЗ. Чтобы выполнить это условие, в БПТ используется разделительный ПНТ (TLA на рис. 4.22, а), который насыщается при малых значениях вход- ного тока (около 5 А), меньших тока срабатывания РЗ, пита- ющихся от блока, с тем чтобы выходное напряжение БПТ было достаточным для их действия. В насыщенной части характе- 214
РИС. 4.23. Характеристики UBbIX = = /(/вх) токового блока с феррорезо- нансным контуром для контуров раз- ных нагрузок блока (1-3) I’txz I'ixj Ц* ристики намагничивания, определяющей зависимость вторич- ного напряжения 17вых промежуточного трансформатора от входного тока /вх, действующее значение этого напряжения изменяется незначительно, что и обеспечивает его стабиль- ность на выходе БПТ. Но при таком способе стабилизации в кривой вторичного напряжения ПНТ появляются пикообраз- ные амплитуды. Суммируясь с основной гармоникой, они обусловливают опасные перенапряжения, которые могут по- вредить диоды, изоляцию ПНТ и ухудшить работу логических реле. Для устранения таких перенапряжений к зажимам вторич- ной обмотки ПНТ подключается конденсатор С, образующий с индуктивностью ветви намагничивания ПНТ феррорезонан- сный контур. Вольт-амперные характеристики БПТ при наличии ферро- резонансного контура при различных нагрузках (Ян) изображе- ны на рис. 4.23. С увеличением нагрузки увеличивается зна- чение /вх- Блоки серии БП-11 (БПТ-11 и БПН-11), рассчитанные на длительную нагрузку 20 Вт и кратковременную 40 Вт, - самые маломощные. Они выполняются на напряжения 24 и 110 В. Вторая группа блоков БПЗ (БПЗ-401, выпускаемые вместо БПН-Ю1, и БПЗ-402, выпускаемые вместо БПТ-401) рассчитана на длительную нагрузку 100 и 200 Вт при выходном номиналь- ном напряжении 100 и 200 В. Устройство БПЗ-401 (рис. 4.24, а) питается от TH. При вклю- чении устройства в сеть с (7Н0М, равным 127, ПО или 100 В, сек- ции первичных обмоток w' и w", промежуточного трансформа- тора напряжения TLV соединяются последовательно, а на- кладки SX1 и SX2 устанавливаются соответственно в положе- ние I, IV или VI. Отводы II, III и V вторичной обмотки позволя- ют устанавливать необходимый уровень 17вых при отклонении входного напряжения. 215
Рис. 4.24. Блоки питания типов: а -БПЗ-401; б-БПЗ-402 Конденсатор С1 предназначен для защиты диодов от кратко- временных перенапряжений, возникающих в цепях перемен- ного тока. Оперативные цепи РЗ подключаются к выводам 7 и 10, а заряжаемые конденсаторы - к выводам 6 и 10. Диоды VD1 и VD2 предотвращают разряд заряженных конденсаторов при исчезновении или понижении напряжения питания. Реле KL (поляризованное реле типа РП-7) служит для сигнали- зации при исчезновении напряжения питания. Резистор R и конденсатор С2 уменьшают переменную составляющую то- ка в обмотке реле KL. Устройство БПЗ-402 (рис. 4.24, 6) состоит из промежуточного насыщающегося трансформатора тока TLA, конденсатора С и выпрямительного моста VS, разделительных диодов VD1 и VD2 и токоограничивающего резистора R. Переключение оди- наковых секций первичной обмотки w' и wf с последователь- ного соединения на параллельное позволяет увеличивать ток наступления феррорезонанса в 2 раза. Наличие отводов в каждой секции позволяет изменять ток наступления резонан- са ступенчато. Подключая накладкой SX1 конденсатор С к отводам I, II или III, можно в небольших пределах изменять ток наступления феррорезонанса. С помощью накладки SX2 изменяется номинальное значение выходного напряжения: в положении VI- 110 В, в положении III - 220 В. 216
Рис. 4.25. Блоки питания типов: а - БПН-1002; б - БПТ-1002 К трансформаторам тона Кроме того, существуют мощные блоки БПТ-1002 и БПН-1002 на 800 и 1500 Вт при выходном напряжении 110 и 220 В. Блоки БПН-1002 выпускаются трехфазными (рис. 4.25). Промышленность выпускает все БПТ с феррорезонансным контуром и с ответвлениями, позволяющими изменять резо- нансный ток 1ВХ. Параметры контура LC подбираются так, что- бы резонанс наступал при /вх = ZBX = 3 + 10 А, меньшем, чем ток срабатывания МТЗ. Блоки напряжения работают, как прави- ло, при отклонениях входных напряжений от нормальных не более 10—15%. Для применения БПН в режимах, сопровожда- ющихся глубоким понижением напряжения (ниже 15% нор- мального), выпускаются трехфазные блоки со стабилизатором в виде дросселей насыщения БПНС-2 (рис. 4.26). Шесть дрос- селей насыщения (L1-L6) включены по схеме трехфазного маг- нитного усилителя с самонасыщением. Регулирующее действие стабилизатора основано на изме- нении сопротивления Z дросселей насыщения в зависимости от тока подмагничивания /у в общей обмотке управления wy. Значение и направление тока подмагничивания определяется схемой управления СУ и зависит от значения выходного на- пряжения. При повышении напряжения схема управления обусловливает увеличение индуктивности дросселей, а при понижении - более глубокое насыщение дросселей. 217
Рис. 4.27. Включение блоков питания в РЗ трансформаторов Блок БПНС-2 обеспечивает достаточную мощность для действия РЗ при всех несимметричных КЗ, а для отключения трехфаэных КЗ необходима подпитка от токового блока. Имеющийся на выходе блока БПНС-2 встроенный сглажи- вающий фильтр позволяет использовать его для питания полу- проводниковых РЗ и ВЧ приемопередатчиков. Блоки питания могут использоваться в качестве индивидуа- льных блоков, питающих оперативные цепи РЗ одного присо- единения (ЛЭП, трансформатора), или в виде групповых, пи- тающих РЗ нескольких присоединений. При этом уменьшает- ся количество БП, не появляется разветвленная сеть опера- тивных цепей. Блоки БП-11 имеют малую мощность и поэтому могут ис- пользоваться только как индивидуальные - для отдельной РЗ. Блоки БП-101 и БП-1002 могут служить в качестве групповых. Схема включения БП на ток и напряжение сети должна вы- бираться так, чтобы на выходе блока имелость достаточное напряжение для приведения в действие элементов логиче- ской схемы и ЭО выключателя при всех видах КЗ, на которые должна реагировать рассматриваемая РЗ. Наиболее рациональной схемой включения токового блока, 218
применяемой в сети с изолированной нейтралью, является включение на разность вторичных токов ТТ двух фаз Логические схемы, получающие питание от БП, выполняют- ся так же, как и в РЗ на постоянном оперативном токе. При включении на разность токов двух фаз напряжение на выходе БПТ Швых бп) появляется при всех видах междуфазных КЗ и двойных замыканий, возможных в этих сетях, за исключе- нием случая К[2} за трансформатором с соединением обмоток y/a или при К(1) за трансформатором с соединением обмоток vA0. При необходимости действия РЗ и в этих случаях, дополни- тельно к БПТ, включенному на разность токов фаз А и С, устанавливается второй БПТ (рис. 4.27), включенный на ток третьей фазы В (при наличии на ней ТТ), либо блок напряже- ния БПН, включенный на междуфазное напряжение Ь!дс тех же фаз, от которых питается БПТ. Достаточность уровня вы- ходного напряжения ПвыхБП для срабатывания элементов ло- гической схемы и ЭО определяется при минимальном значе- нии входного тока IBX min для БПТ и UBxmin для БПН. Питание БПТ средней и большой мощности необходимо осу- ществлять от отдельных обмоток ТТ (по условию допустимой нагрузки). Положительной стороной БП является возможность их при- менения для РЗ со сложными логическими схемами, для РЗ как от КЗ, так и от ненормальных режимов. Недостатком БП является ограниченная мощность, не позволяющая использо- вать их для отключения ’’тяжелых” выключателей 110-220 кВ, относительная сложность расчета и обеспечения выходного напряжения токовых блоков в функции от входного тока. Использование энергии заряженного конденсатора для пи- тания оперативных цепей защиты. Предварительно заряжен- ный конденсатор используется как источник оперативного то- ка в режиме его разряда на элементы оперативной цепи, под- ключаемые к конденсатору при срабатывании РЗ. Предвари- тельный заряд конденсатора обычно осуществляется в усло- виях нормального режима от напряжения сети. Заряженный конденсатор может питать оперативные цепи РЗ при любом повреждении и ненормальном режиме, независимо от значе- ния тока и напряжения защищаемого участка. Схема МТЗ с использованием заряженного конденсатора в качестве источника оперативного тока приведена на рис. 4.28. 219
6) Рис. 4.28, Схема МТЗ с питанием цепей отключения выключателя от заряжен- ного конденсатора: а - токовые цепи; б - цепи отключения В этой схеме при срабатывании токовых реле КА1 и (или) КА2 и после замыкания контакта реле времени КТ1 к YAT подклю- чается через указательное реле КН заряженный конденса- тор С, под действием тока разряда которого срабатывает ка- тушка YAT, отключающая выключатель. Конденсатор заряжа- ется в нормальном режиме от TH через зарядное устройство УЗ. Емкость конденсатора должна быть достаточной для накопле- ния энергии W, необходимой для приведения в действие реле или YAT. Энергия заряженного конденсатора определяется по формуле IV = CU£/2, (4.23) где UK - напряжение заряженного конденсатора. Для получения требуемого значения при возможно мень- шей емкости С следует увеличить В устройствах заряда, выпускаемых промышленностью, принято UK = 400 В. Особенностью схемы, в которой заряженный конденсатор используется как источник оперативного тока, является крат- ковременность тока разряда. Поэтому конденсаторы, приме- няемые в схеме РЗ, за короткий промежуток времени разряда могут приводить в действие только один электромеханиче- ский элемент оперативных цепей, работающий без замедле- ния (промежуточное реле или ЭО). С учетом этого предвари- тельно заряженные конденсаторы, предусматриваются в основном для питания ЭО выключателей и применяются в тех случаях, когда мощность ТТ, используемых для питания оперативных цепей непосредственно или через блоки питания, оказывается недостаточной.
VD1 VD2 Рис. 4.30. Схема блока конденса- торов БК-400 Рис. 4.29. Характеристики заряда и разряда конденсатора После каждого срабатывания РЗ, а также после исчезнове- ния напряжения на шинах ПС, от которых питаются зарядные устройства, конденсаторы разряжаются, РЗ не может действо- вать на отключение, пока не произойдет повторный заряд конденсаторов. Для повышения надежности РЗ желательно иметь возможно меньшее время заряда t3ap, чтобы восстано- вить ее готовность в цикле АПВ, обеспечивая возможность действия при повторном включении повреждений ЛЭП (рис. 4.29). Выпускаемые промышленностью блоки конденсаторов БК-400 (рис. 4.30) используются совместно с устройствами БПЗ-400 и состоят из разделительных диодов VD1 и VD2 типа Д226Б и конденсаторов С типа МБГП емкостью 10 мкФ ± 10%, 400 В. Общая емкость блока конденсаторов БК-401 равна 40 мкФ, БК-402 - 80 мкФ, БК-403 - 200 мкФ. Первые два рассчитаны на питание ЭО выключателей с пружинными приводами, а по- следний -с электромагнитными. Блоки БПЗ-401 и БПЗ-402, время заряда которых 1зар = = 0,05 + 0,07 с, рассчитаны на одновременное питание несколь- ких конденсаторных блоков в схемах с диодным или контакт- ным разделением цепей (рис. 4.31). При замыкании контактов устройств РЗ одного из присоединений (например, РЗТ) через ЭО выключателя этого присоединения пройдет ток разряда конденсаторов С1, предназначенных только для этого при- соединения. Разряд других конденсаторов предотвращается благодаря диодам, установленным в блоке БК-400 (рис. 4.31, а) Либо размыканием контакта Р31.1 (рис. 4.31, б). 221
Рис. 4.31. Принципиальная схема подключения блоков конденсаторов РЗ к за- рядному устройству: а — с разделением цепей при помощи диодов; б — с контактным разделением целей Источники с предварительно заряженными конденсатора- ми применяются на подстанциях без аккумуляторных бата- рей для питания ЭО выключателей, в электрических сетях 6-10 кВ для питания элементов автоматики и широко исполь- зуются на упрощенных ПС без выключателей на стороне ПО и 220 кВ для осуществления операций по включению коротко- замыкателей и отключению отделителей трансформаторов. Недостатком схемы МТЗ с конденсатором, заряжаемым от устройства БПЗ-401, является возможность отказа РЗ в дейст- вии при включении на КЗ подстанции, находившейся без на- пряжения. МТЗ может отказать из-за того, что разрядившийся при отсутствии напряжения на подстанции конденсатор не сможет зарядиться при включении на КЗ из-за низкого уровня остаточного напряжения. Чтобы предотвратить подобные отказы, применяются зарядные устройства с блоками питания БПЗ-402, питающиеся от ТТ. Токовый зарядный блок приме- няется как дополнительный к блоку напряжения. Положительными качествами источников с предварительно заряженными конденсаторами являются: возможность отклю- чения выключателей с электромагнитными приводами, тре- бующих значительной мощности от источника питания, ко- торую не могут обеспечить ТТ и блоки питания малой мощно- сти; независимость мощности и напряжения этих источников от тока и напряжения в аварийных режимах защищаемого объекта, что позволяет применять заряженные конденсаторы 222
для любых РЗ и для выполнения логических операций РЗ и автоматики при отсутствии напряжения на подстанции. Существенным недостатком заряженных конденсаторов является кратковременность тока разряда, ограничивающая их применение для питания логической части РЗ (для каждо- го реле требуется свой конденсаторный блок), и непригод- ность для питания элементов, работающих с выдержкой вре- мени. Следует отметить, что наличие напряжения 400 В на кон- денсаторах и БПЗ требует особого внимания к соблюдению правил техники безопасности. При проведении работ на УЗ, конденсаторах и в питающихся от них цепях необходимо снять напряжение с блока БПЗ, разрядить конденсаторы че- рез высокоомное сопротивление и отключить их от питаемой сети. 4.9. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ С РЕЛЕ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ В распределительных сетях 6-10 кВ применяются МТЗ с реле прямого действия. Выпускаются токовые реле прямого действия, мгновенные типа РТМ и с ограниченно зависимой характеристикой РТВ. Схемы МТЗ прямого действия отличаются простотой и не- большой стоимостью. На рис. 4.32, а и б показаны двухфазные схемы МТЗ с реле типа РТВ. Реле РТВ представляет собой электромагнитное реле с втягивающимся якорем (рис. 4.33). Нормально под действием пружины 3 якорь реле 2 находится в нижнем положении. При появлении тока 1р > 1с р в обмотке реле 1 возникает электромагнитная сила F3, превышающая силу Fn пружины 3; якорь реле 2, представляющий собой по- движный цилиндр, втягивается и сжимает пружину 3, кото- рая давит на стопорное кольцо 5 ударника 4, стремясь под- нять последний. Однако движение ударника несвободно, оно тормозится часовым механизмом 6. Чем больше ток 7р, тем больше сжимается пружина под действием силы F3 и тем быстрее движется часовой механизм. Время, необходимое для перемещения ударника из начального положения до момента удара по отключающему рычагу 7 привода, зависит от значения тока 1р. При 1р = 1ср пружина сжимается до преде- ла, и дальнейшие увеличения тока не сопровождаются изме- 223
Рис. 4.32. Схемы РЗ с реле прямого действия (а, б) и характеристика реле РТВ (е) Рис. 4.33. Токовое реле прямого действия типа РТВ 224 нением скорости движения часового механизма. При этом наступает независимая часть характеристики реле (рис. 4.32, в). В конце хода ударник 4 расцепляется с часовым механизмом. Благодаря этому его скорость и обусловленная ею кинетиче- ская энергия ударника резко увеличиваются, и он с возросшей силой ударяет по рычагу 7, отключая выключатель. Недостатки реле прямого действия отмечены в § 1.6. По- грешность по времени действия этих реле достигает ± 0,3 с. Поэтому при выборе выдержки времени на РЗ с РТВ ступень селективности At принимается равной 0,8 с. Обмотка реле име- ет значительное потребление (примерно 50 В • А) при токе срабатывания. Поэтому ТТ, питающие реле прямого действия, достаточно сильно загружены. По мере втягивания якоря 2 и перемещения ударника 4 вверх потребление реле растет. 4.10. ОБЩАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МТЗ Достоинством МТЗ является ее простота, надежность и не- большая стоимость. МТЗ обеспечивает селективность в ради- альных сетях с односторонним питанием. К недостаткам МТЗ относятся: большие выдержки времени, особенно вблизи источников питания; недостаточная чувствительность при КЗ в разветвленных сетях с большими токами нагрузки. МТЗ получила наиболее широкое распространение в ради- альных сетях, в сетях 10 кВ и ниже является основной РЗ. Вопросы для самопроверки 1. Чем определяется значение At ступени селективности? 2. Должны ли измениться параметры максимальной токовой защиты питающей линии при дополнительном подключении нового потребителя к шинам приемной подстанции? 3. В каком случае при расчете МТЗ можно не учитывать ко- эффициент самозапуска электродвигателей? 4. В чем особенности реле, используемых в схемах МТЗ на переменном оперативном токе? 5. Как определить чувствительность МТЗ, установленной на параллельных линиях? 1 225
Глава пятая ТОКОВЫЕ ОТСЕЧКИ 5.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ОТСЕЧЕК Отсечка является разновидностью МТЗ, позволяющей обес- печить быстрое отключение КЗ. Токовые отсечки подразде- ляются на отсечки мгновенного действия и от- сечки с выдержкой времени. Селективность токовых отсечек достигается ограниче- нием их эоны действия так, чтобы отсечка не работала при КЗ за пределами этой зоны, на смежных участках сети, РЗ которых имеет выдержку времени, равную или большую, чем отсечка. Для этого ток срабатывания отсечки (/с 3) должен быть больше максимального тока КЗ (iKmax), проходящего че- рез нее при повреждении в конце участка (например, AM на рис. 5.1), за пределами которого она не должна работать: 1СЗ > Действительно, ток КЗ в какой-либо точке рассматриваемо- го участка сети (5.1) где Ес - эквивалентная ЭДС генераторов энергосистемы; Хс и Хлж ” сопротивление ЭЭС и участка ЛЭП (AM) до точки КЗ; Ху - удельное сопротивление, Ом/км; /л.к - длина участка до точки КЗ. Зона действия мгновенной от- сечки по условиям селективности не должна выходить за пределы защищаемой ЛЭП. Зона действия отсечки, работающей с выдержкой времени, выходит за пределы за- щищаемой ЛЭП и по условию се- лективности должна отстраивать- ся от конца зоны РЗ смежного участка по току и по времени. Рис. 5.1. Принцип действия токовой отсечки 226
Токовые отсечки применяются как в радиальной сети с односторонним питанием, так и в сети, имеющей двустороннее питание. 5.2. СХЕМЫ ОТСЕЧЕК Схемы цепей постоянного тока отсечек изображены на рис. 5.2, а, б. Схемы отсечек, выполненные на электромехани- ческих реле и на постоянном оперативном токе, аналогичны схемам МТЗ, приведенным на рис. 4.2 и 4.4. Рис. 5.2. Схемы цепей постоянного тока токовой отсечки на электро- механических реле: а — мгновенной с t = 0; б — с вы- держкой времени; е — на полупро- водниковых элементах Так же как и МТЗ, отсечки выполняются на постоянном и переменном оперативном токе, а также с помощью реле пря- мого действия по схемам, приведенным на рис. 4.19, 4.27, 4.29, 4.31. Схемы отсечек с выдержкой времени полностью совпадают со схемами МТЗ с независимой выдержкой времени. Схемы от- сечек без выдержки времени отличаются от схем МТЗ отсут- ствием реле времени. 5.3. ОТСЕЧКИ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ НА ЛИНИЯХ С ОДНОСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ Ток срабатывания отсечки. Ток срабатывания мгновенной отсечки должен удовлетворять условию (5.2) при КЗ в конце защищаемой ЛЭП АВ, т. е. в точке М (рис. 5.3): ^с.з ~ ^отс-^к(М)тах > (5*2) 227
Рис. 5.4. Зона действия отсечки блока линия—трансформатор Рис. 5.3. Графический метод определения зоны действия мгновенной отсечки: 1 — максимальный ток I к; 2 — минимальный ток /к где 4(м)тах - максимальный ток КЗ в фазе ЛЭП при КЗ на ши- нах подстанции В (точка М на рис. 5.3); котс - коэффициент отстройки. Ток КЗ 1К(л/)тах рассчитывается для таких режимов работы ЭЭС и видов повреждений, при которых он оказывается наи- большим. Поскольку собственное время действия отсечки рав- но 0,02-0,01 с, то ток КЗ рассчитывается для начального момен- та времени (t = 0) и принимается равным действующему зна- чению периодической составляющей. При расчете тока КЗ генераторы замещаются сверхпереходным сопротивлением хЦ. В схемах отсечки, где токовые реле действуют непосредст- венно на отключение без промежуточного реле или с быстро- действующим промежуточным реле, время действия отсечки может достигать одного периода (т. е. 0,02 с). В этом случае следует учитывать апериодическую составляющую тока КЗ, умножая ток 1К(д^то1 на коэффициент Ка = 1,6 * 1.8. У отсечек ЛЭП с токовыми реле типа РТ-40 Котс = 1,2 -г- 1,3; с реле типа РТ-80 и РТ-90 котс = 1,5 из-за большей погрешности реле. На одиночных ЛЭП, питающих Тупиковую ПС, и на ЛЭП, пи- тающих подстанции, подключенные по схеме ответвления, необходимо дополнительно к условию (5.2) отстроить отсечку от суммарного броска тока намагничивания трансформаторов, установленных на этих подстанциях. Отстройка проверяется 228
по выражению 4.3 9 (3 - 5>z 4юм.т > (5.2а) где Z1Н0М т " суммарный номинальный ток трансформато- ров ПС. Ток срабатывания отсечки принимается равным большему значению из определенных по (5.2) и (5.2а). Ток срабатывания реле отсечки выбирается по выражению (5.26) где ксх - коэффициент схемы. Зона действия отсечки определяется графически, как пока- зано на рис. 5.3. Обычно строятся кривые тока КЗ в зависимости от расстояния /л к до точки КЗ; IK = f(l) для максимального и минимального режимов (кривые 1 и 2 на рис. 5.3), и по точке пересечения их с прямой /с>э находится конец зоны отсечки в максимальном и минимальном режимах (Nj и N2 соответст- венно). Зону действия отсечки можно также определить по формуле (5-3) ЛЛ \ JC.3 I где Хотс - зона действия отсечки, выраженная в процентах от сопротивления защищаемой ЛЭП; Хл - сопротивление защи- щаемой ЛЭП; Хс - сопротивление ЭЭС (см. рис. 5.1); /с з - ток срабатывания отсечки, выбранной согласно (5.2) и (5.2а). Правила устройства электроустановок рекомендуют приме- нять отсечку, если ее зона действия охватывает не менее 20% защищаемой ЛЭП. Вследствие простоты отсечки она приме- няется в качестве дополнительной РЗ и при зоне действия, меньшей 20%, если основная РЗ ЛЭП имеет мертвую зону. При схеме работы ЛЭП блоком с трансформатором (рис. 5.4) отсечку отстраивают от тока при КЗ за трансформатором в точ- ке Kv В этом случае отсечка защищает всю ЛЭП и оказывает- ся весьма эффективной. Время действия отсечки. Время действия мгновенной от- сечки складывается из времени срабатывания токовых и про- межуточного реле (рис. 5.2, а). При быстродействующих проме- 229
жуточных реле (0,02 с) отсечка срабатывает в течение времени t3 = 0,04 -г 0,06 с. Наличие промежуточного реле облегчает работу контактов токовых реле и позволяет не учитывать апе- риодическую составляющую тока КЗ, поскольку последняя затухает очень быстро (за 0,02-0,03 с). На ЛЭП, защищенных от перенапряжений трубчатыми разрядниками, отсечка не должна срабатывать при их действии. Время работы разряд- ников составляет около 0,01-0,02 с. При каскадном действии разрядников оно увеличивается до 0,04-0,06 с. Применением промежуточного реле с временем действия t - 0,06 + 0,08 с удается отстроить отсечку от работы разрядников. 5.4. НЕСЕЛЕКТИВНЫЕ ОТСЕЧКИ Неселективной отсечкой называется мгновенная отсечка, действующая при КЗ за пределами своей ЛЭП. Такая отсечка применяется для быстрого отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП. Неселективное действие отсечки при КЗ вне ЛЭП исправляется при помощи АПВ, включающего обрат- но отключившуюся ЛЭП. Примеры применения неселектив- ной отсечки приведены на рис. 5.5. В первом случае на линии W1 (рис. 5.5, а) установлена отсеч- ка 1, неселективная по отношению к РЗ трансформаторов. Ток срабатывания отсечки 1 отстраивается от конца зоны от- сечек 2 и 3, установленных на трансформаторах Т2 и ТЗ, т. е. А:.3 = (1)1 — 1,2)1с>32 (или 1С.ЭЗ). При КЗ в каком-либо трансформаторе, например ТЗ, в преде- лах зоны действия отсечки 1 последняя срабатывает неселек- тивно одновременно с отсечкой поврежденного трансформато- ра. В результате этого, кроме трансформатора ТЗ, неселективно отключается W1. При этом пускается устройство АПВ, кото- рое включает обратно неселективно отключившуюся ЛЭП W1 и восстанавливает питание подстанции В. Во втором случае (рис. 5.5, б) на W1 для той же цели установ- лена отсечка 1, неселективная относительно мгновенной от- сечки 2 ЛЭП W2. Отсечка 1 отстроена по току от конца зоны действия отсечки 2, но поскольку их выдержки времени оди- наковы (tx = t2 = 0), то при КЗ на участке ЛЭП W2, где зоны действия отсечек совпадают, обе они могут сработать одно- временно. Действием АПВ и в этом случае неповрежденная 230
Рис. 5.5. Неселективные отсечки в со- четании с АПВ линия W1 будет включена в работу, а поврежденная W2 от- ключится вновь. Для предотвращения повторного отключе- ния W1 ее отсечка выводится из работы после действия АПВ и спустя некоторое время после успешного включения W1. При этом должно быть соблюдено условие tAnBl < ?апвз> где fAnBi и ^апвз соответственно выдержки времени АПВ ЛЭП W1 и W2. 5.5. ОТСЕЧКИ НА ЛИНИЯХ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ На линии с двусторонним питанием мгновенная отсечка не должна действовать при КЗ за пределами защищаемой ЛЭП (в точках КА и Кв на рис. 5.6). Ток срабатывания отсечки выбирают большим тока 1кА, проходящего от генератора А при КЗ на шинах В, и тока 1кВ, проходящего от генератора В при КЗ на шинах А. Ток срабатывания вычисляется по выра- жению (5.2), где вместо 1К(М)тах подставляется больший из токов 1кА или 1кВ. Во избежание неправильной работы отсеч- ки при качаниях ее ток срабатывания должен отстраиваться и от токов качания 1кач, для чего /С1Э должно удовлетворять одновременно с (5.2) условию (5.4): ^с.з ~ ^отсАсач max > (5.4) где котс = 1,2 -г- 1,3. Максимальное значение 1кач определяется по формуле -^кач max = 2Е/ХЛв, где Е - ЭДС генераторов А и В (принимается, что ЕА = Ев = ~ Е = 1,051/ген); ХАВ - суммарное сопротивление между генера- 231
Рис. 5.6. Мгновенные отсечки на ЛЭП с дву. сторонним питанием торами А и В, равное ХгА + Хсв + Хгв> при этом ХгА и ХгВ - сверхпереходные сопротивления обоих генераторов Х^; Хсв - сумма сопротивлений всех остальных элементов, включенных между шинами генераторов А и В. Ток срабатывания выбирается большим из двух значений, полученных по условиям (5.2) и (5.4). На ЛЭП с двусторонним питанием отсечки устанавливаются с обеих сторон ЛЭП с оди- наковым током срабатывания. Зона действия каждой отсечки определяется по точке пересечения N прямой 1СЗ с соответ- ствующей кривой тока. Схема отсечки для ЛЭП с двусторон- ним питанием не отличается от схем на рис. 5.2, а. 5.6. ОТСЕЧКИ С ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ Мгновенная отсечка защищает только часть ЛЭП; чтобы вы- полнить РЗ всей ЛЭП с минимальным временем действия, применяется отсечка с выдержкой времени (см. рис. 5.2, б). Зона и время действия такой отсечки 1 (рис. 5.7, а, б) согласу- ются с зоной и временем действия мгновенной отсечки 2 так, чтобы была обеспечена селективность. Для выполнения этих условий время действия РЗ Г31 отсеч- ки 1 выбирается на ступень At больше t32 отсечки 2: ^31 = (5-5) В зависимости от точности реле времени отсечки 1 t3 - 0,3 + 0,6 с. Зона действия отсечки 1 должна быть короче эоны работы отсечки 2 (рис. 5.7, в). 232
Рис. 5.7. Выбор 1С з отсечки с выдержкой времени на ЛЭП с односторонним пи- танием Рис. 5.8. Выбор 1СЛ отсечки с выдерж- кой времени на ЛЭП с двусторонним питанием В сети с односторонним питанием согласование зон дейст- вия РЗ 1 и 2 обеспечивается при выполнении условия 4.31 = ^отс4.з2» (5-6) где котс = 1,1 н- 1,2. Зона действия отсечки 1 (AN на рис. 5.7, а) находится графически. В сети с двусторонним питанием токи 7К1 и /к2, проходящие через отсечки 1 и 2, неодинаковы (рис. 5.8): /к2 > 7К1. С учетом этого согласование зон действия отсечек 1 и 2 выполняется обычно графическим способом. Для этой цели (рис. 5.8) стро- ится зависимость 7К1 и 7к2 от расстояния / до точки КЗ. По пересечению прямой /сз2 с кривой /к2 (точка М) опреде- ляется конец зоны действия отсечки 2. От точки М необходимо отстроить отсечку 1. Для этого по кривой 7К1 находится ток 4iM> проходящий в РЗ 1 при КЗ в конце зоны отсечки 2 (точ- ка М). В соответствии с условием (5.2): 4.31 = koTc4i(M)« (5.6а) 233
Рис. 5.9. Характеристика трехступен- чатой токовой РЗ Расчет ведется при максимальном /К1 и минимальном /к2 значениях. Ток 1С Э должен быть также отстроен от 2Kj4 при КЗ на шинах подстанции А. Зона действия отсечки определяет- ся по точке пересечения /с 31 и /к1. Схемы отсечки с выдержкой времени выполняются так же, как и схемы МТЗ с независимой характеристикой (4.2). Токовые отсечки являются самой простой РЗ. Быстрота действия в сочетании с простотой схемы составляет важное преимущество этих РЗ. Недостатками отсечек являются: не- полный охват защищаемой ЛЭП и непостоянство зоны дейст- вия в связи с изменением режима энергосистемы. Сочетая МТЗ 1 с мгновенной отсечкой 3 и отсечкой с вы- держкой времени 2, можно получить трехступенчатую МТЗ, обеспечивающую быстрое отключение повреждений на защища- емой линии W1 и резервирующую РЗ 4 и 5 следующего участ- ка. Характеристика времени действия трехступенчатой МТЗ показана на рис. 5.9. Вопросы для самопроверки 1. Почему токовая отсечка должна быть рассчитана по мак- симальному режиму? 2. Как ликвидируется КЗ в пределах ’’мертвой зоны” токовой отсечки? 3. В чем особенность расчета токовой отсечки на линиях с двусторонним питанием? 4. Каково назначение ступеней в трехступенчатой токовой защите? 5. В сочетании с какой автоматикой применяется неселек- тивная токовая отсечка?
Глава шестая ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ 6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ Информацию о контролируемом напряжении ИО РЗ получа- ют от первичных трансформаторов напряжения (TH). Основны- ми параметрами TH (рис. 6.1) являются: номинальное первичное напряжение L71H0M (равное номинальному напряжению контро- лируемой электрической сети), вторичное номинальное напря- жение С/2НОМ, значение которого обычно принимается равным 100 или ЮОД/ЗВ. Отношение этих величин, называемое номи- нальным коэффициентом трансформации, Кцном = Цном^гном [24]. Начала и концы первичных и вторичных обмоток TH Н (н) и К (к) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и X, у вто- ричной соответственно а и х. Для питания устройств РЗ ис- пользуются в большинстве случаев TH, установленные на сборных шинах ПС и РУ электростанций, к вторичным обмот- кам которых подключаются РЗ всех присоединений (рис. 6.2, а), или на каждом присоединении, питающие РЗ только этого присоединения. Первый способ экономичнее второго, так как требует меньше TH, но его недостаток состоит в том, что при необходимости произвести переключение присоединения с одной системы шин на другую требуется переключение цепей напряжения РЗ на TH другой системы шин. Такое переключение делается автоматически с помощью вспомогательных контактов QS, установленных на ножах разъединителей, как показано на 6.1. Схема включения трансформатора Спряжения (а), векторная диаграмма напря- жений (б) Uz 235
Рис. 5.9. Характеристика трехступен- чатой токовой РЗ Расчет ведется при максимальном /К1 и минимальном /к2 значениях. Ток 1С Э должен быть также отстроен от 2Kj4 при КЗ на шинах подстанции А. Зона действия отсечки определяет- ся по точке пересечения /с 31 и /к1. Схемы отсечки с выдержкой времени выполняются так же, как и схемы МТЗ с независимой характеристикой (4.2). Токовые отсечки являются самой простой РЗ. Быстрота действия в сочетании с простотой схемы составляет важное преимущество этих РЗ. Недостатками отсечек являются: не- полный охват защищаемой ЛЭП и непостоянство зоны дейст- вия в связи с изменением режима энергосистемы. Сочетая МТЗ 1 с мгновенной отсечкой 3 и отсечкой с вы- держкой времени 2, можно получить трехступенчатую МТЗ, обеспечивающую быстрое отключение повреждений на защища- емой линии W1 и резервирующую РЗ 4 и 5 следующего участ- ка. Характеристика времени действия трехступенчатой МТЗ показана на рис. 5.9. Вопросы для самопроверки 1. Почему токовая отсечка должна быть рассчитана по мак- симальному режиму? 2. Как ликвидируется КЗ в пределах ’’мертвой зоны” токовой отсечки? 3. В чем особенность расчета токовой отсечки на линиях с двусторонним питанием? 4. Каково назначение ступеней в трехступенчатой токовой защите? 5. В сочетании с какой автоматикой применяется неселек- тивная токовая отсечка?
Глава шестая ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И СХЕМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЯ 6.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ Информацию о контролируемом напряжении ИО РЗ получа- ют от первичных трансформаторов напряжения (TH). Основны- ми параметрами TH (рис. 6.1) являются: номинальное первичное напряжение L71H0M (равное номинальному напряжению контро- лируемой электрической сети), вторичное номинальное напря- жение С/2НОМ, значение которого обычно принимается равным 100 или ЮОД/ЗВ. Отношение этих величин, называемое номи- нальным коэффициентом трансформации, Кцном = Цном^гном [24]. Начала и концы первичных и вторичных обмоток TH Н (н) и К (к) обозначаются изготовителями так же, как и у силовых трансформаторов: у первичной обмотки буквами А и X, у вто- ричной соответственно а и х. Для питания устройств РЗ ис- пользуются в большинстве случаев TH, установленные на сборных шинах ПС и РУ электростанций, к вторичным обмот- кам которых подключаются РЗ всех присоединений (рис. 6.2, а), или на каждом присоединении, питающие РЗ только этого присоединения. Первый способ экономичнее второго, так как требует меньше TH, но его недостаток состоит в том, что при необходимости произвести переключение присоединения с одной системы шин на другую требуется переключение цепей напряжения РЗ на TH другой системы шин. Такое переключение делается автоматически с помощью вспомогательных контактов QS, установленных на ножах разъединителей, как показано на 6.1. Схема включения трансформатора Спряжения (а), векторная диаграмма напря- жений (б) Uz 235
Рис. 6.2, Схемы питания цепей релейной защиты а - от шинного TH; б - от линейного TH Рис. 6.3. Переключение цепей напря- жения зашиты с одного трансформатора напряжения на другой вспомогатель- ными контактами шинных разъеди- нителей рис. 6.3, или управляемыми ими реле-повторителями. Эту опе- рацию можно выполнить вручную - специальными рубильни- ками. Слабым местом автоматического переключения являются вспомогательные контакты, отказ которых приводит к непра- вильной работе устройств РЗ. Недостаток второго способа со- стоит в том, что не исключается ошибка лица, проводящего переключения, а его преимуществом является большая надеж- ность цепей. При использовании TH присоединений в случае перевода соответствующего присоединения на другую систе- му шин никаких операций в цепях напряжений не требуется. Автоматический способ переключения цепей напряжения обычно применяется на ЭС и на крупных ПС с большим числом присоединений. 6.2. ПОГРЕШНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Трансформатор напряжения работает с погрешностью, ис- кажающей вторичное напряжение как по величине, так и по фазе. В ’’идеальном” TH, работающем без погрешностей, вто- 236
“J Рис. 6.4. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора на- пряжения (первичный ток, напряжение и сопротивление приведены к числу витков вторичной обмотки) ричное напряжение U2 1^/Ки, (6.1) где - напряжение, подведенное к зажимам первичной об- мотки; Kjj - коэффициент трансформации ’’идеального” TH, равный отношению количества витков первичной и вторичной обмоток. Однако за счет падения напряжения Д17 (рис. 6.4, б) в первичной и вторичной обмотках действительное значение вторичного напряжения будет равно: и2 = (6.2) ки что вытекает из эквивалентной схемы замещения TH и вектор- ной диаграммы (рис. 6.4, а, б). Из этой же схемы следует = -йам-z; + //г; + Z2). (6.2а) Падение напряжения в обмотках TH ДГ7 обусловливает появ- ление погрешности, искажающей значение и фазу U2 (рис. 6.4, б) по сравнению с расчетным напряжением U3 = =» 1/^ по выражению (6.1). Поскольку значения Zz и Z2, а также ток намагничивания ^нам определены конструкцией TH, в условиях эксплуатации уменьшить его погрешность можно только уменьшением тока 237
нагрузки 12. Допустимые погрешности нормируются при номи- нальном напряжении, соответственно чему TH подразделяют- ся на классы: 0,2; 0,5; 1 и 3. Один и тот же TH может работать в разных классах точности в зависимости от значения нагруз- ки. Заводы обычно указывают номинальную мощность, под- разумевая под ней максимальную нагрузку, которую может питать TH в гарантированном классе точности. Кроме того, для TH указывается максимальная мощность по условиям на- грева, которая значительно превосходит его номинальную мощ- ность. Погрешность по значению вторичного напряжения при- нято оценивать в процентах: Ui и, ---- ки ли % ---------— 100. (6.3) Погрешность по фазе оценивается углом сдвига 6 между векторами первичного и вторичного напряжений (рис. 6.4, 6). 63. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Схема соединения трансформаторов напряжения в звезду, приведенная на рис. 6.5, а, предназначена для получения на- пряжений фаз относительно земли и междуфазных (линейных) напряжений. Три первичные обмотки TV1 соединяются в звез- ду. Начала каждой обмотки (А, В, С) присоединяются к соот- ветствующим фазам ЛЭП, а концы X, Y, Z объединяются в общую точку (нейтраль N1) и заземляются. При таком вклю- чении к каждой первичной обмотке TV1 подводится напря- жение фазы ЛЭП относительно земли. Концы вторичных об- моток TV1 (х, у, z на рис. 6.5, а) также соединяются в звезду, нейтраль которой N2 связывается с нулевой точкой нагрузки N3 (сопротивления 1, 2, 3). В приведенной схеме нейтраль пер- вичной обмотки (точка М) жестко связана с землей и имеет потенциал, равный нулю, такой же потенциал будет иметь нейтраль N2 и связанная с ней нейтраль нагрузки N3. При та- кой схеме фазные напряжения на вторичной стороне соот- ветствуют фазным напряжениям относительно земли первич- ной стороны. Заземление нейтрали первичной обмотки TH и наличие нулевого провода во вторичной цепи являются обя- Рис. 6.5. Схема соединений однофазных трансфор- маторов напряжения в звезду: а — схема звезды с заземленной нейтралью пер- вичной обмотки; б — то же с разземленной нейт- ралью; в — векторная диаграмма зателъным условием для получения фазных напряжений от- носительно земли. Соединение обмоток TH по схеме т/т обычно выполняется по 12-й группе. Эта схема может быть осуществлена посредст- вом трех однофазных TH или одного трехфазного пятистержне- вого TH. Трехфазные трехстержневые TH для данной схемы применяться не могут, так как в их магнитопроводе отсутст- вуют пути для замыкания магнитных потоков НП Фо, создава- емых током 10 в первичных обмотках при замыканиях на зем- лю в сети. В этом случае поток Фо замыкается через воздух по пути с большим магнитным сопротивлением. Это приводит к уменьшению сопротивления НП трансформатора и резкому увеличению /нам. Повышенный /кам вызывает недопустимый нагрев трансформатора, в связи с чем применение трехстерж- невых TH недопустимо. В пятистержневых трансформаторах для замыкания потоков служат четвертый и пятый стержни магнитопровода (рис. 6.6). Схема соединений обмоток TH в открытый треугольник изображена на рис. 6.7. Она выполняется при помощи двух од- 238 239
потоков нулевой последовательности в трехфазном пятистержневом TH Рис. 6.7. Схема соединений однофазных TH в открытый треугольник нофаэных TH, включенных на два междуфазных напряжения, например UAg и Ubc- Напряжение на зажимах вторичных об- моток TH всегда пропорционально междуфазным напряжени- ям, подведенным с первичной стороны. Между проводами вто- ричной цепи включаются реле. Схема позволяет получать все три междуфазных напряжения UAq, UqC и Uca- Схема соединений обмоток однофазных TH в фильтр напря- жения НП выполняется посредством трех однофазных TH, как показано на рис. 6.8. Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные - последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутых вершин треугольника подсоединяются реле. Напряжение Ц> на зажимах разомкнутого треугольника равно геометриче- ской сумме напряжений вторичных обмоток*. = и ° + иь + ис. Так как сумма трех фазных напряжений равна утроенному напряжению НП, выражая вторичные напряжения через пер- вичные, получаем Уа + Ув + Ус зу0 -Р Кц ки (6.4) В нормальных условиях напряжения фаз симметричны, Up = 0. При КЗ без земли также = 3U0 = 0 (см. гл. 1). При КЗ на землю (одно- и двухфазных) на зажимах разомкнутого тре- угольника TH появляется напряжение Up = 3U0/Ky. 240
Рис. 6.8. Схема соединений однофазных TH в фильтр напряжения нулевой последовательности Рис. 6.9. Типовая схема соединений обмоток одно- фазных трехобмоточных TH Напряжения прямой и обратной последовательностей обра- зуют симметричные звезды и поэтому при суммировании в цепи разомкнутого треугольника всегда дают нуль на его за- жимах. Рассмотренная схема является фильтром НП. Необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является за- земление нейтрали первичной обмотки TH. Применяя одно- фазные TH с двумя вторичными обмотками, можно соединить одну из них по схеме звезды, а вторую - по схеме разомкнутого треугольника (рис. 6.9). Номинальное вторичное напряжение у обмотки, предназначенной для соединения в разомкнутый тре- угольник, принимается равным для сетей с заземленной ней- тралью 100 В, а для сетей с изолированной нейтралью 100/3 В. Схема соединения обмоток трехфазных TH в фильтр напря- жения НП. Для получения ЗЦ, от трехфазного пятистержнево- го TH (см. рис. 6.6) на каждом из его основных стержней 1, 2иЗ выполняется дополнительная (третья) обмотка, соединяемая ПО схеме разомкнутого треугольника. Напряжение на выводах этой обмотки появляется только при КЗ на землю, когда воз- никают магнитные потоки НП, замыкающиеся по четвертому и пятому стержням магнитопровода. Схемы с пятистержне- вым TH позволяют получать одновременно с напряжением НП фазные и междуфазные напряжения.
6.4. ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЦЕПЯХ TH И КОНТРОЛЬ ЗА ИХ ИСПРАВНОСТЬЮ Повреждения в цепях TH. Во вторичных цепях TH могут воз- никать повреждения (КЗ и обрывы). Короткие замыкания вы- зывают опасное увеличение тока в TH, и поэтому для его защи- ты устанавливаются предохранители или автоматические вы- ключатели, прерывающие цепь при появлении повышенных токов. Повреждения вторичных цепей, а также их нарушение при перегорании предохранителей или действии автоматиче- ских выключателей искажают значение и фазу вторичного на- пряжения, что приводит к неправильной работе РЗ. Для преду- преждения ложных действий РЗ предусматриваются специ- альные устройства, которые реагируют на повреждения во вто- ричных цепях напряжения, подают при этом сигнал о неисправ- ности и выводят из действия (блокируют) те РЗ, которые могут неправильно сработать при повреждении в цепях напряжения. Блокирующие устройства, реагирующие на появление Uo и 10 при повреждениях в цепях напряжения. На рис. 6.10 приве- дены наиболее распространенные простые устройства этого типа. Они реагируют на появление напряжения или тока НП во вторичных цепях TH. Для этого реле KV включается на на- пряжение НП по одной из схем, приведенных на рис. 6.10. В нормальных условиях напряжение на реле отсутствует. При обрыве одной или двух фаз цепи напряжения возникает Рис. 6.10. Схемы сигнализации обрыва в цепях TH: а — с трансформаторным фильтром 1?0; б — с фильтром на активных сопротив- лениях; в — с фильтром на конденсаторах С 242
U под влиянием которого в реле KV появляется ток, и оно срабатывает, давая сигнал. Подобные устройства применяются в дистанционных РЗ, имеющих токовые пусковые органы. На рис. 6.11 приведена схема подобной блокировки типа КРБ-14 для дистанционных РЗ в сетях с заземленной нейтралью. Она состоит из трех конденсаторов С одинаковой емкости, реле напряжения KV0 и тока КАО. В провод, соединяющий нулевые точки конденсаторов и вторичной обмотки TV, вклю- чено реле KV0, через размыкающий контакт которого подается оперативный ток на комплект релейной защиты (РЗ). Цепь обмотки KV0 проходит через размыкающий контакт КАО, об- мотка которого включена в нулевой провод ТА. Нормально, когда сумма фазных напряжений равна нулю, потенциалы нулевых точек звезды конденсаторов и вторичной обмотки TV равны, и поэтому ток в реле KV0 отсутствует. При перегорании одного или двух предохранителей потенциал нулевой точки звезды конденсаторов станет равным сумме напряжений оставшихся фаз, а потенциал нулевой точки звез- ды вторичной обмотки TV останется равным нулю. Под воз- действием напряжения, возникающего между нулевыми точ- ками, через обмотку KV0 проходит ток, и реле, сработав, ниж- ним контактом снимает оперативный ток с РЗ, а верхним подает сигнал. При перегорании предохранителей всех трех фаз бло- рис. 6.11. Схема включения блокировки при перегорании предохранителей 243
Рис. 6.12. Периодический контроль исправ- ности цепи обмотки, соединенной в фильтр напряжения нулевой последовательности кировка рассматриваемого типа не работает, что является ее недостатком. При двухфазном КЗ на землю на защищаемой ЛЭП симмет- рия фазных напряжений, подводимых к звезде конденсато- ров, нарушается и блокировка может сработать и вывести РЗ из действия. Для предотвращения такого неправильного дей- ствия блокировки предусмотрено токовое реле КАО, которое срабатывает и, размыкая цепь обмотки реле KVO, препятству- ет его действию. Контроль цепей разомкнутого треугольника TH. Контроль исправности цепи вторичной обмотки TH, соединенной по схе- ме фильтра НП, производится путем измерения напряжения небаланса с помощью вольтметра, включаемого по схеме на рис. 6.12. При исправной цепи вольтметр показывает напряже- ние небаланса, имеющее значение 1-3 В, а при нарушении цепи показания пропадают. Блокирующее устройство на сравнении напряжений двух вторичных обмоток TH. Недостатком рассмотренных выше устройств блокировки типа КРБ-11 является то, что при КЗ в цепях фазных напряжений они не действуют, а срабатывают лишь после отключения автоматических выключателей или предохранителей поврежденных фаз. Подобные блокировки не могут предотвратить ложного срабатывания первых ступе- ней быстродействующих дистанционных РЗ, применяемых в сетях сверхвысоких напряжений. Другим недостатком этих блокировок является то, что они не могут предотвратить лож- ного срабатывания дистанционных РЗ при отключении всех трех фаз напряжения общим автоматическим выключателем или ключом. Этих недостатков лишена блокировка, схема которой при- ведена на рис. 6.13. Четырехобмоточный промежуточный транс- форматор TL устройства блокировки подключен через добавоч- ные резисторы к измерительному трансформатору напряже- ния TV с соединением вторичных обмоток в звезду и разомкну- тый треугольник. В цепях обмотки Wj сопротивление резисто- 244
Рис. 6.13. Устройство блокировки для предотвращения ложных срабатываний дистанционных защит при нарушении цепей напряжения: а — схема соединения обмоток измерительного трансформатора TV; б — век- торная диаграмма напряжений во вторичных обмотках TV; в — схема внутрен- них соединений устройства; г — векторная диаграмма, поясняющая работу устройства в нормальном режиме ра в фазе А - Ra принято в два раза меньшим относительно со- противлений Rb и Rc> равных между собой. К обмотке ю2 с вы- водов Н - К подано напряжение 3t70. Обмотка (компенса- ционная) находится под воздействием напряжения фазы А. Ко вторичной обмотке через выпрямительный мост VS присоединен реагирующий элемент - реле KV. В нормальном режиме, при исправных вторичных цепях TV и соответствующих значениях сопротивлений резисторов, то- ки в обмотках и w3 направлены встречно: /0 = 1а + /ь + /с = а “Л д (рис. 6.13, в, г). МДС в сердечнике взаимно уравновеша- ны - реле KV не работает. При обрывах в цепях TV (одной или Двух фаз) равновесие МДС нарушается, что вызывает срабаты- 245
вание реле KV. В случае КЗ на землю в сети реле не сработает так как МДС обмотки будет скомпенсирована МДС обмот- ки w2, включенной на 317О. При отключении всех трех фаз на- пряжения со стороны обмоток TH, соединенных в звезду блокировка срабатывает за счет тока в обмотке и>3. Блокировка без замедления срабатывает также при всех видах КЗ в цепях напряжения, за исключением КЗ между фазами В и С. В по- следнем случае блокировка подействует только после отклю- чения автоматического выключателя. Оценка схем. Схемы, реагирующие на появление составля- ющих НП, проще, но они несовершенны. Эти схемы не дейст- вуют при обрыве трех фаз вторичных цепей, а также при КЗ в цепях напряжения, не сопровождающихся появлением UQ. Схемы на балансе напряжений с тремя трехобмоточными транс- форматорами более совершенны, но и более сложны. Их следует применять для блокировки РЗ на ЛЭП 220 кВ и выше. 63. ЕМКОСТНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ Для питания устройств РЗ наряду с TH могут применяться также емкостные делители напряжения, которые состоят из нескольких последовательно соединенных конденсаторов, включаемых между проводом фазы и землей (рис. 6.14). Для питания РЗ используется напряжение 172, снимаемое с зажимов последнего конденсатора делителя С2. При отсут- ствии нагрузки Zp напряжение 172 пропорционально первично- му напряжению Оф и совпадает с ним по фазе, как это следует из рис. 6.14, а: и* = ^CJ^2 ~ . у . ~ ЬЩ» 11-'’*-1 ''2^ где Х2 к =--------= const. + х2 Значение U2 достигает нескольких киловольт, поэтому нагрузка подключается к зажимам конденсатора С2 через понижающий TH 2 (рис. 6.14, б). Присоединение сопротивления нагрузки Zp искажает как значение, так и фазу U2, что и вызы- 246
я рис. 6.14. Емкостные делители напряжения: а б — с измерением напряжения на конденсаторе С2; в — с измерением за- рядного тока, проходящего через конденсаторы С1 и С2 вает погрешность измерения. Для уменьшения этой погрешно- сти предусматривается компенсирующее устройство, состо- ящее из реактора 1 и конденсатора 3. Соответствующим подбором их параметров и ограничением нагрузки Zp можно с достаточной точностью обеспечить пропор- циональность и совпадение по фазе напряжения U2, подводи- мого к нагрузке Zp с измеряемым напряжением С7ф. Отечест- венные заводы выпускают с использованием конденсаторов связи измерительные устройства типа НДЕ-500 для сетей 500 кВ. 6.6. ФИЛЬТР НАПРЯЖЕНИЙ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Фильтр напряжений ОП (ФНОП) является устройством, при помощи которого можно получить напряжение Um„, про- порциональное составляющей ОП, содержащейся в напряже- нии сети. Составляющие прямой и нулевой последовательно- стей такой фильтр не пропускает. Фильтр обычно включается на линейные напряжения, которые не содержат составляющих НП. В схемах РЗ обычно используются фильтры с активными и емкостными сопротивлениями (рис. 6.15, а). Поскольку оба плеча ФНОП находятся под воздействием междуфазных на- пряжений, напряжение НП на его выходе равно нулю. Топографическая диаграмма, на которой показано распре- деление напряжений по элементам фильтра при подаче на его вход системы напряжений прямой последовательности, при- ведена на рис. 6.15, б. Рассмотрим эту диаграмму, учитывая, 247
Рис. 6.15. Фильтр напряжений обратной последовательности: а — схема фильтра; б — векторная диаграмма ненагруженного фильтра при подаче на его вход напряжений прямой последовательности; в — векторная диаграмма ненагруженного фильтра при подаче на его вход напряжений об- ратной последовательности I что активные и емкостные сопротивления, используемые в фильтре, имеют следующие соотношения: (6.5) Под действием напряжения VAb, приложенного к плечу фильтра C1-R1, т. е. между зажимами 1 и 2, через эти сопро- । тивления проходит ток I' имеющий емкостный характер и опе- режающий напряжение UA$ на угол 30°. Этот ток на элементах R1 и С1 создает падение напряжения I’Rl, совпадающее по на- правлению с вектором/' и ГХа, отстающее от этого тока иа 90° (рис. 6.15, б). Аналогичный треугольник напряжений может быть построен и для второго плеча фильтра (между зажимами 2-3), к которому подведено напряжение U^c- Ток, проходящий в этом плече Г', будет опережать напряжение U&c на угол 60°, так как емкостное сопротивление больше активного. * В результате, как следует из диаграммы, приведенной на рис. 6.15,6, выходные зажимы фильтра тип имеют одинако- .4 248 Ж
вь1й потенциал. Таким образом, напряжение на зажимах реле при подаче на вход ФНОП напряжения прямой последователь- ности также равно нулю. Диаграмма, характеризующая работу фильтра при подаче на его вход напряжения ОП, показана на рис. 6.15, в. В этом случае векторная диаграмма напряжений изменяется, так как изменяется чередование фазных напряжений на входе фильтра Ub2> Uc2, подведенных соответственно к зажи- мам 1, 2, 3. При этом между зажимами тип появляется боль- шое напряжение, пропорциональное значению напряжения ОП на входе ФНОП: Umn2 ~ 1,5е;6Ч/дВ2, ШХХ = 1,5е'6° - коэффициент, обычно называемый отношением холостого хода. Следовательно, ФНОП будет выделять из полного напря- жения, поданного на его вход, напряжение ОП. Напряжение на выходе фильтра зависит от сопротивления подключенной к нему нагрузки. Для отдачи максимальной мощности от фильтра напряжения должно быть соблюдено следующее условие: £ф.к = ZH, (6.6) где ZH - сопротивление нагрузки, подключенной к выходным зажимам фильтра; /ф к - сопротивление КЗ фильтра, измеря- емое со стороны его выходных зажимов, когда входные зажимы закорочены. Поэтому обычно на выходе фильтра подключается реле, имеющее определенное сопротивление, что обеспечивает по- лучение от фильтра наибольшей мощности. Фильтр-реле на- пряжения ОП, схема которого приведена на рис. 6.15, называ- ется РНФ-1М. Фильтр напряжений обратной последовательности на опе- рационном усилителе (ОУ) представляет собой двухвходовый сумматор, на первый вход которого подается напряжение, пропорциональное напряжению Ндв, а на другой вход U^c (рис. 6.16, а). Эти напряжения подаются на схему через мало- габаритные промежуточные TH. Выходное напряжение схемы равно произведению вектор- ной суммы токов Ij,/2 и сопротивления Rs. Поскольку напря- 249
Рис. 6.16. Фильтр напряжений обратной последовательности, выполненный на операционном усилителе жение между входами ОУ равно нулю, Д - ЦцМд+Щ1 + (1/WC)2; а Д = UBC/(R3 + Rt)- Соотношение между 2?х, R2 и Cj выбрано таким, что опере- жает 1/дв на 60°, а ток 12 совпадает по фазе с Уве- При измене- нии сопротивления Rt изменяется и ток Ц, и его угол сдвига относительно Цдв» а при изменении R3 меняется только ток 12- При прямой последовательности фаз (рис. 6.16, б) регули- ровкой R1 и R3 обеспечивается равенство h и 12 и сдвиг между ними 180°, поэтому UBbIX = 0. При обратном чередовании (ОП) фаз (рис. 6.16, в) сдвиг между токами Ц и 12 равен 60°, а выход- ное напряжение схемы пропорционально /З'Цдв. 250
Фильтр напряжений ОП превращается в фильтр токов ОП, если на его входы подать напряжения, пропорциональные раз- ности токов 1а -1в и 1в~1с- Вопросы для самопроверки 1, Назначение заземлений нейтралей первичной и вторич- ной обмоток у трансформаторов напряжения с соединением обмоток звезда-звезда. 2. При каких повреждениях на зажимах разомкнутого тре- угольника появляется напряжение, превышающее ПНб? 3. Что показывает коэффициент холостого хода тхх фильтра напряжений обратной последовательности (ФНОП)? 4. Почему к ФНОП следует подводить линейные, а не фаз- ные напряжения? 5. Каково назначение реле КАО в устройстве блокировки КРБ-11? Глава седьмая ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА 7.1. НЕОБХОДИМОСТЬ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ В СЕТЯХ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ Направленной называется РЗ, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ SK. Необхо- димость в применении направленных РЗ возникает в сетях с двусторонним питанием (рис. 7.1, а) и в кольцевых сетях с од- ним источником питания (рис. 7.1, б). При двустороннем пита- нии места КЗ для ликвидации повреждения РЗ должна уста- навливаться с обеих сторон защищаемой ЛЭП, как показано на рис. 7.1. Самым простым способом РЗ от КЗ, как и в сетях с односто- ронним питанием, может служить защита, реагирующая на возникновение тока КЗ. Однако простая МТЗ, реагирующая только на значение тока (рассмотренная выше), в подобных сетях не может обеспечить селективного отключения повреж- дения. Для селективного действия ее необходимо дополнить 251
Рис. 7.1. Схема сети с двусторон- ним питанием и размещение РЗ в этих сетях: а — радиальная сеть; б — кольцевая сеть, О - направлен- ная токовая РЗ (стрелка указы- вает направление мощности, при котором РЗ действует на отключение) реле направления, реагирующим на знак мощности, протека- ющей по защищаемому присоединению. Действительно, пред- положим, что в сети на рис. 7.1, а на всех ЛЭП установлены МТЗ, и рассмотрим действие одной из них - например 5’. При КЗ в точке К1 выдержка времени защиты 5Г должна быть мень- ше времени действия РЗ 6', 7' и 8', т. е. t5, < t6., t7, и tr. В слу- чае же КЗ в точке К2 МТЗ 5' должна действовать медленнее РЗ 6' (t5, > t6<). Одновременное выполнение обоих требований невозможно. Так, при выполнении первого требования (т. е. при ts, < t6.) МТЗ 5' будет действовать неселективно при КЗ на W3. Эту неселективность можно устранить, заменив МТЗ 5' направленной защитой 5, действующей только при направ- лении мощности КЗ от шин в ЛЭП. При этом РЗ 5 не будет действовать при КЗ на TV3, так как в этом случае мощность КЗ будет направлена из линии к шинам и поэтому второе тре- бование (t5 > t6) отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных МТЗ сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени РЗ, действующих в одном направлении, по ступенчатому принци- пу. Исходя из сказанного, можно сформулировать следующие 252
принципы выполнения селективной РЗ в сетях с двусторонним питанием: 1) защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой ЛЭП и действовать на отключение при появлении тока КЗ, если мощность направлена от шин в линию (рис. 7.1); 2) выдержки времени на РЗ, работающих при одном направ- лении мощности (от генератора А или генератора В), должны согласовываться по ступенчатому принципу, нарастая по на- правлению к источнику питания: у РЗ, действующих от тока источника А, выдержка времени tb < t4 < t2; у РЗ, действующих от тока источника В, t3 < t5 < t7. 7J. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ Направленная токовая защита (НТЗ) при КЗ должна реаги- ровать на значение тока и направление мощности в повреж- денных фазах защищаемой ЛЭП. Структурная (функциональ- ная) схема НТЗ, наиболее часто применяемая и показанная на рис. 7.2, состоит из трех основных элементов (органов): два пусковых реле тока КА (органы тока), которые срабатывают при появлении тока КЗ и выдают сигнал, разрешающий РЗ действовать; два реле направления мощности KW (органы на- правления мощности - ОНМ), которые срабатывают при направ- лении мощности от шин в ЛЭП и подают сигнал, разрешающий РЗ действовать. Если же мощность направлена к шинам, то ре- ле KW выдают сигнал, блокирующий действие РЗ; логической схемы (органы логики), которая действует по заданной про- Рис. 7.2. Структурная схема направленной МТЗ 253
КА1 KW1 Рис. 7.3. Двухфазная схема направленной МТЗ с электромеханическими реле: а — цепи переменного тока; б — цепи напряжения ABC KW1 грамме: получив сигнал о срабатывании органа тока, ОНМ формирует сигнал о срабатывании РЗ, который с заданной вы- держкой времени поступает на ЭО выключателя и производит его отключение. Пусковое реле тока КА включают на ток фазы ЛЭП, а реле направления мощности (РНМ) - на ток той же фазы и соответствующее междуфазное напряжение (рис. 7.3). Поведение РНМ определяется знаком мощности, подведенной к его зажимам: sp = Lfp/pSinfa -фр), < (7.1) где а - угол сдвига между напряжением и током в цепи напря- жения реле (угол внутреннего сдвига); фр - угол сдвига между t/p и 1р' При КЗ на защищаемой ЛЭП Sp положительно (+Sp), и РНМ разрешает НТЗ действовать на отключение. При КЗ на защищаемой ЛЭП W1 (см. рис. 7.1) или на следу- ющем за ней участке W2 реле КА и KW, приходя в действие, подают сигналы на вход И (рис. 7.2). На выходе элемента И по- является сигнал, который приводит в действие КТ (рис. 7.2 и 7.4). Через заданное время на выходе КТ появляется сигнал, действующий на исполнительный элемент KL, подающий ко- манду на отключение выключателя. При КЗ на других при- соединениях данной подстанции (W2 на рис. 7.1) КА срабаты- вает, если 1К > /сз, но так как KW не работает, элемент И, а следовательно, и НТЗ в целом не действуют. Рассматриваемая схема может быть реализована с помощью как контактных, так и бесконтактных реле. 254
Рис 7.4. Оперативная схема двух- релейной направленной МТЗ Оперативная схема действия контактных (электромехани- ческих) реле показана на рис. 7.4. В нормальном режиме, если мощность нагрузки направлена от шин в ЛЭП, РНМ может сработать. Для исключения при этом срабатывании НТЗ ее пусковой орган КА необходимо отстраи- вать от тока нагрузки (1с,3 > 1Н тах). При качаниях в энергосистеме НТЗ может работать ложно, если ток качания окажется больше /с э, мощность Sp на зажи- мах KW будет направлена от шин в ЛЭП, а период качаний будет больше выдержки времени НТЗ. Для исключения дей- ствия НТЗ при качаниях ее время действия должно быть боль- ше 1 с. Анализируя действия НТЗ, установленных в кольцевой се- ти (см. рис. 7.1,6), следует иметь в виду возможную каскадность ее действия, т. е. последовательное срабатыва- ние РЗ и отключение выключателей, установленных по кон- цам защищаемой ЛЭП. Так, например, при КЗ в точке К1 из- мерительные органы РЗ 6, установленной на ПС III, удаленной от источников питания, могут не подействовать в первый мо- мент возникновения повреждения из-за недостаточной чув- ствительности. После же отключения поврежденной ЛЭП со стороны ПС I ток, протекающий от ПС III, увеличится и РЗ 6 по- действует каскадно, ликвидируя КЗ в точке К1. 7.3. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Требования к схемам. Реле направления мощности включа- ются, как правило, на фазный ток и междуфазное напряжение. Сочетание фаз тока и напряжения реле, называемое его схе- мой включения, должно быть таким, чтобы реле правиль- но определяло знак мощности КЗ при всех возможных случаях 255
и видах повреждений, и чтобы к РНМ подводилась возможно большая мощность. Мощность Sp, как это следует из (7.1), может иметь недо- статочное для действия РНМ значение при КЗ, близких к ме- сту установки реле, за счет снижения напряжения L7p или при неблагоприятном значении угла (рр, при котором sin(a - фр) ра- вен или близок к нулю. Отсюда следует, что, во-первых РНМ должно включаться на такое напряжение, которое при близких КЗ не снижается до нуля, и, во-вторых, напряжение и ток, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига между ними фр в условиях КЗ не достигал значе- ний, при которых мощность на зажимах реле приближается к нулю. Следует отметить, что первое требование выполнимо толь- ко при двух- и однофазных КЗ, в случае же трехфазного КЗ все фазные и междуфазные напряжения могут снижаться до нуля. В современных схемах НТЗ применяется включение РНМ по так называемой 90-градусной схеме сочетания токов и на- пряжений, приведенным ниже применительно к схеме вклю- чения РНМ, показанным на рис. 7.4: Реле............................. 1 II III *р............................... 1а !в !с Up............................... ивс иСА иЛВ Название схемы (90-градусная) носит условный характер. Схема именуется по углам фр между напряжением и током, подведенным к РНМ в симметричном трехфазном режиме при условии, что токи в фазах совпадают с одноименными фазны- ми напряжениями (рис. 7.5). 90-градусная схема включения РНМ. Ниже рассмотрена ра- бота РНМ типа РБМ-171 с углом максимальной чувствительно- сти фм.ч ® -30°, включенного по 90-градусной схеме. Угол внут- реннего сдвига этого реле а - 90° + фм ч = 90° - 30° = 60° (см. §2.12). Мощность на зажимах такого реле: Sp = /ср17р/р cos (фр + + 30°); РНМ включено на ток /р = 1А и напряжение = Уве- На рис. 7.6 изображена векторная диаграмма напряжений и тока 1А при трехфазном КЗ на ЛЭП. Ток 1А отстает от напря- жения t/д на угол фк. Вектор 1А имеет два предельных поло- жения: 1А - при КЗ за чисто реактивным сопротивлением X, 256
Рис. 7.5. Векторные диаграммы токов и напряжений, подводимых к репе на- правления мощности при 90-градусной схеме включения Рис. 7.6. Векторная диаграмма напряжений и тока фазы А при трехфазном КЗ на защищаемой ЛЭП [линии моментов реле направления мощности Мвр = = kUplpSin(60® - фр)] когда фк = 90°, /д - при КЗ через дугу в начале ЛЭП, когда - о°. По найденным значениям Фр определяются знак и значе- ние мощности на входе РНМ. С этой целью строится диаграмма тока и напряжения на зажимах РНМ для рассмотренного слу- чая КЗ (рис. 7.6). На ней относительно Нр построена линия NXN2 изменения .-чнака мощности Sp илинияМхМ2 максималь- ной мощностиЯр для данного типа РНМ. Проекция 1д на линию максимальной мощности, равная/д =sin(a - фр), характеризу- ет значение и знак мощности. При КЗ в зоне проекция /д имеет положительный знак, а в случае КЗ вне зоны (”за спи- ной”) - отрицательный. Значение мощности на реле достига- ет максимума Sp тах при Фм>ч Мр = -30е (чему соответствует Фк = 60°). Из диаграммы и характеристики реле следует, что поведение РНМ при трехфазном КЗ в зоне и вне зоны будет правильным и значение Sp достаточным для действия РНМ. Построив векторные диаграммы Ур и /р для двух- и одно- фазных КЗ при возможных предельных значениях фк и фр, можно установить, что и при этих видах повреждения на за- жимах РНМ обеспечивается достаточное значение Sp для его правильного действия.
7.4. ПОВЕДЕНИЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, ВКЛЮЧЕННЫХ НА ТОКИ НЕПОВРЕЖДЕННЫХ ФАЗ В поврежденных фазах поведение РНМ определяется током и мощностью КЗ, проходящим по этим фазам, направление которых однозначно зависит от места повреждения. В иных условиях находятся реле, включенные на токи неповрежден- ных фаз. Эти токи и соответствующие мощности могут вызвать ложную работу РНМ, разрешая отключить неповрежденную ЛЭП при внешних КЗ. Действительно, при двухфазных КЗ (рис. 7.7) по неповреж- денной фазе проходит ток нагрузки 1н. В схеме на рис. 7.7 1н на W1 направлен от шин ПС2, и РНМ на неповрежденной фа- зе С разрешит НТ32 отключить W1. Рис. 7.7. Направления токов в поврежденных и неповрежденных фазах. При КЗ возможно неправильное действие НТЗ линии W1 под влиянием токов нагрузки При КЗ на землю (одно- и двухфазных) на линии в сети с глухозаземленной нейтралью, кроме токов нагрузки, по непо- врежденным фазам проходит часть полного тока КЗ, уходящего в землю в месте повреждения и возвращающегося к месту КЗ. Таким образом, при КЗ на землю полный ток в неповреж- денных фазах равен геометрической сумме токов нагрузки и части полного тока КЗ: /„.ф = + k3I0X, (7-2) где к - коэффициент, учитывающий долю тока 3101К, замыка- ющегося по неповрежденной фазе при КЗ на землю. 258
1.5. СХЕМЫ НАПРАВЛЕННОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ В сети с глухозаземленной нейтралью НТЗ, предназначен- ная для действия только при междуфазных КЗ, выполняется по двухфазной схеме (рис. 7.8, а, б). При этом для отключения КЗ на землю предусматривается РЗ, реагирующая на токи НП (см. § 8.3). В тех случаях, когда токи в неповрежденных фазах имеют большие значения и отстройка от них пусковых токовых реле недопустима по условию чувствительности, схема дополняет- ся блокировкой, выводящей НТЗ из действия при КЗ на землю (рис. 7.8). Блокировка осуществляется посредством реле то- ка КА0, включенного в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды. В схемах, выполненных на электромеха- нических реле (рис. 7.8, в), при КЗ на землю реле КА0 срабаты- вает и снимает плюс, подводимый к НТЗ от источника опера- тивного тока. Пофазный пуск в таких схемах сохраняется, В схемах на полупроводниковых элементах реле КА0 подает сигнал, блокирующий действие защиты. Схема с дополнительным пуском по напряжению применя- ется, как и у МТЗ (см. § 4.7), при больших токах нагрузки, тре- бующих увеличения тока срабатывания пусковых токовых реле до значения, при котором не обеспечивается необходимая чувствительность НТЗ во время КЗ. Пусковой орган напряже- ния блокирует действие НТЗ в режиме максимальной нагруз- ки. Благодаря этому орган тока отстраивается от нормальной нагрузки, что повышает его чувствительность. На рис. 7.9 приведена структурная схема НТЗ с двумя пуско- выми органами для одной фазы (для упрощения чертежа). ?ис. 7.8. Схема двухфазной направленной токовой защиты на электромехани- ческих реле 259
Рис. 7.9. Структурная схема направленной полупровод, никовой максимальной токовой защиты [ КТ 108 I & \n Она представляет собой схему НТЗ с токовым пуском (см. рис. 7.2 и 7.4), дополненную пуском по напряжению (KV). При этом на логический элемент И приходят три сигнала от реле тока КА, направления мощности KW и пускового устройства напряжения KV. При КЗ в зоне РЗ должны сработать реле КА, KW, KV. Релейная защита срабатывает с установленной выдержкой времени t3 на элементе времени КТ. На рис. 7.10 представлена схема НТЗ на переменном опера- тивном токе, выполненная с дешунтированием электромаг- нита отключения YAT. Схема работает так же, как аналогич- Рис. 7.10. Принципиальная схема двухфазной максимальной направленной защиты с токовым пусковым органом на переменном оперативном токе: а — схема токовых цепей; б - схема цепей напряжения; в — схема вторичных цепей реле времени; г — то же промежуточных реле 260
ная схема на рис. 4.20, и отличается лишь наличием реле KW7 и KW- Во всех рассмотренных схемах РНМ могут неправильно опре- делять направление мощности при неисправностях в цепях напряжения. В результате этого НТЗ может неправильно по- действовать при КЗ. Для своевременного выявления неисправ- ностей в цепях напряжения необходимо предусматривать устройство контроля их исправности (см. § 6.4). 7.6. ВЫБОР УСТАВОК СРАБАТЫВАНИЯ Ток срабатывания пусковых реле. Основным условием при выборе 4.з НТЗ является отстройка от токов нагрузки с учетом самозапуска в послеаварийном режиме: ^отс^с.згДн max 4.3 ~ лв Максимальное значение 1Нтах следует определять, исходя из наиболее тяжелых, но возможных в эксплуатации режимов. В кольцевых сетях и радиальных с двусторонним питанием (рис. 7.1, а, б) максимальные нагрузки на ЛЭП возникают при размыкании сети. Ток срабатывания НТЗ должен быть также отстроен от то- ков, возникающих в неповрежденных фазах при КЗ на землю в сети с глухозаземленной нейтралью: 4.э = ^отс4<.ф > (7.4) где 1Н ф - полный ток в неповрежденной фазе. Для НТЗ, устанав- ливаемой в сети с глухозаземленной нейтралью, предназна- ченной для действия и при КЗ на землю, 2Н ф = /н + к!ок (см. §7.4), ток kIQK определяется специальным расчетом; котс - коффициент надежности, в зависимости от точности оценки значения 1Н_ф принимается равным 1,2-1,5 для РЗ, устанавли- ваемых в сети с изолированной нейтралью, ток /н ф = /н, прохо- дящий по неповрежденной фазе при двухфазном КЗ. В этом случае 4.э, выбранный по (7.3), удовлетворяет условию (7.4). За окончательное принимается большее значение Zc,3, по- лученное по выражениям (7.3) и (7.4). Для РЗ в сети с малым током замыкания на землю (где ^н.ф = 1Н) и для РЗ в сети с глухозаземленной нейтралью, блоки- 261
руемых при КЗ на землю, ток срабатывания пусковых реле вы- бирается только по первому условию, т. е. по (7.3). Для обеспечения селективности чувствительность РЗ, дей- ствующих в одном направлении, необходимо согласовать так чтобы токи срабатывания нарастали при обходе РЗ против направления их действия. В показанной на рис. 7.1,6 сети токи срабатывания НТЗ должны удовлетворять условиям (7.5) Разница в значениях тока срабатывания двух смежных РЗ обычно принимается примерно равной 10%. В схемах с блокировкой по напряжению напряжение сраба- тывания реле минимального напряжения выбирается по (4.14). Чувствительность реле тока при КЗ проверяется, так же как и чувствительность МТЗ, по (4.6). Выдержка времени защиты выбирается из условия селек- тивности. Для этой цели согласуются выдержки времени РЗ, действующих в одном и том же направлении, которые по это- му признаку делятся на две группы: tA.\> fA$> и Обозначая через At ступень времени между двумя смежны- ми РЗ, покажем графически согласование времени действия РЗ (рис. 7.11). Рассматривая диаграмму выдержек времени на рис. 7.11, можно заметить, что направленность действия требуется не для всех РЗ. Например, выдержка времени РЗ А3 больше, чем Рис. 7.11. Встречно-ступенчатый принцип выбора выдержек вре- мени 262
РЗ g • следовательно, селективность РЗ А3 при направлении мощности КЗ к шинам может быть обеспечена без ОНМ. То же самое относится и к РЗ Б6, отсюда вытекает общее правило, что ОНМ должен устанавливаться на тех РЗ, у которых при на- правлении мощности к шинам нельзя обеспечить селектив- ность посредством выдержки времени. Для выяснения, в ка- ких именно точках сети можно установить ненаправленную МТЗ нужно сначала выбрать выдержки времени по встречно- ступенчатому принципу. Защита должна согласовываться по времени не только с рЗ, установленными на транзитных ЛЭП кольцевой или ради- альной сети, но также с РЗ других присоединений, отходящих от шин противоположной подстанции. Так, например, РЗ 4 на рис. 7.1, б должна иметь выдержку времени, согласованную с РЗ 6 и 8. Выдержка времени t4 выбирается на ступень выше той РЗ, у которой время действия больше. Если t8 > tb, то t4 = t8 + At. 7.7. МЕРТВАЯ ЗОНА Выше указывалось на возможность отказа в действии РНМ при КЗ вблизи места установки РЗ вследствие недостаточного значения напряжения (рис. 7.12). Участок ЛЭП при КЗ, в пре- делах которого РНМ не работает из-за того, что мощность на его зажимах оказывается меньше мощности срабатывания, называется мертвой зоной. Для характеристики чувствительности РЗ важно знать про- тяженность мертвой зоны. Имеются различия в определении Рис. 7.12. Мертвая зона реле направ- ления мощности XW 263
мертвой зоны для индукционных и полупроводниковых РНМ. Для индукционного РНМ по известному значению мощно, сти срабатывания реле Sc.p = f-'p7psin(a - Фр) (7.7) определяют напряжение срабатывания реле при КЗ на границе мертвой зоны в точке М (рис. 7.12): (У = (у =-----------------. Р с,р Ip sin(a - фр) (7.8) В выражение (7.8) подставляются значения: Scp - по завод- ским данным или лабораторным испытаниям; /р - определен- ное расчетом при трехфазном КЗ в самом начале ЛЭП (точ- ка N на рис. 7.12): 1р = /Kl9 где К; - коэффициент трансфор- мации ТТ; sin(a - фр) - угол внутреннего сдвига а принимается из каталога, фр для 90-градусной схемы равен фк - 90° (фк при- нимается для сетей разного напряжения равным: 35 кВ - 45°, 110 кВ - 60-70°, 220 кВ - 75-82°). Поскольку РНМ включается на междуфазное напряжение, иф! = Ч.р^'/З, (7.9) где С7фг - первичное фазное напряжение, необходимое для срабатывания РНМ; Ку - коэффициент трансформации TH. Длина мертвой зоны, км, определяется по выражению т IkNZj ’ где Zy-удельное сопротивление 1км ЛЭП. Для полупроводникового РНМ расчет мертвой зоны упроща- ется, так как значение 1/с р задано и предварительные вычис- ления по его определению не нужны. Мертвая зона является недостатком НТЗ. Однако опыт эксплуатации показывает, что в случае применения чувстви- тельных реле отказ последних из-за мертвой зоны крайне ре- док вследствие малого значения /т. Для обеспечения отклю- чения КЗ в пределах мертвой зоны там, где это возможно, устанавливается токовая (ненаправленная) отсечка. 264
7.8. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТСЕЧКИ Токовые направленные отсечки основаны на том же прин- ципе, что и токовые ненаправленные отсечки (см. гл. 5). Реле направления мощности в схеме отсечки не позволяет ей дей- ствовать при мощности КЗ, направленной к шинам. Следова- тельно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки ведется только от токов КЗ, направленных от шин подстанции. Направленная отсечка применяется в сети с двусторонним питанием, когда ненаправленная токовая отсечка оказыва- ется слишком грубой из-за необходимости отстройки ее от то- ка КЗ, протекающего с противоположного конца защищаемой ЛЭП к шинам ПС, где установлена отсечка. Вследствие нали- чия мертвой зоны у РНМ направленная отсечка должна приме- няться только в условиях, когда простая отсечка не удовле- творяет условию чувствительности. Направленные отсечки выполняются мгновенными и с вы- держкой времени. Выбор тока срабатывания производится, как и у простой токовой отсечки, по (5.2). Направленные отсечки реагируют на токи качания. Поэто- му их следует отстраивать от токов при качаниях, как это было показано в §5.5. НТЗ со ступенчатой характеристикой. В ряде случаев при- меняются трехступенчатые НТЗ, состоящие из мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и чувствительной МТЗ. Характеристика времени и зон действия такой РЗ соответ- ствует показанной на рис. 5.9. Применение ступенчатой НТЗ следует рекомендовать во всех случаях, когда она удовлетво- ряет требованиям чувствительности и быстродействия. 7.9. ОЦЕНКА ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ Принцип действия НТЗ прост и надежен и позволяет обес- печить селективную РЗ сетей с двусторонним питанием. Со- четание направленных отсечек с НТЗ дает возможность полу- чить ступенчатую РЗ, во многих случаях обеспечивающую достаточную быстроту отключения КЗ и чувствительность. К недостаткам ее следует отнести: большие выдержки вре- мени, особенно вблизи источников питания; недостаточную чувствительность в сетях с большими нагрузками и небольши- ми относительно их кратностями тока КЗ; мертвую зону при 265
трехфазных КЗ; возможность неправильного выбора направ- ления при нарушении цепи напряжения, питающей РНМ. Максимальная направленная РЗ широко применяется в качестве основной РЗ сетей напряжением до 35 кВ с двусто- ронним питанием и в простых кольцевых сетях с одной точ- кой питания. В сетях 110 и 220 кВ НТЗ применяется в основном как резерв- ная, а иногда, в сочетании с отсечкой, как основная, если она удовлетворяет требованиям по чувствительности и быстродей- ствию. Вопросы для самопроверки 1. Назначение дополнительной маркировки выводов (”*”) у реле направления мощности? 2. Где расположена и чем обусловлена ’’мертвая зона” реле направления мощности? 3. Какие схемы соединения обмоток трансформаторов тока и напряжения использует комплект направленной защиты от междуфазных КЗ? 4. Какой тип реле мощности следует использовать в направ- ленной защите от междуфазных КЗ? 5. Почему токовая направленная защита не может приме- няться в сложных сетях с несколькими точками питания? Глава восьмая ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Для защиты ЛЭП от КЗ на землю (одно- и двухфазных) применяется РЗ, реагирующая на токи и мощности нулевой последовательности (НП). Эта РЗ осуществляется более прос- то и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной выше МТЗ, реагирующей на полные токи фаз. Защиты НП вы- полняются в виде МТЗ НП и отсечек как простых, так и на- правленных. 266
рис. 8.1. Однофазное КЗ в сети (а) и прохождение токов IQ под действием UqK (б) Векторные диаграммы токов и напряжений при однофазном КЗ приведены на рис. 1.6. При однофазном КЗ ток НП в месте повреждения 10К равен 1/3 тока КЗ в поврежденной фазе и совпадает с ним по фазе, а напряжение 1/ок в точке КЗ равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз. Под действием напряжения НП, возникающего в месте повреждения (точка К на рис. 8.1), возникают токи 20К, которые замыкаются по контуру фаза-земля через место повреждения (точку К) и заземленные нейтрали. Таким образом, при КЗ на землю появление токов возможно только в сети, где имеют- ся трансформаторы с заземленными нейтралями. При несколь- ких заземленных нейтралях ток НП от места повреждения раз- ветвляется между ними обратно пропорционально сопротив- лениям ветвей. На рис. 8.2 показаны характерные случаи рас- пределения токов НП в схемах сети. Направление токов, про- ходящих к месту КЗ, принято за положительное. Если зазем- лена нулевая точка трансформатора только с одной стороны ЛЭП, то при КЗ на землю на ней токи НП проходят только на участке между местом повреждения и заземленной нейт- ралью. Если же заземлены нейтрали трансформаторов с двух сторон рассматриваемого участка (рис. 8.2, 6), токи НП прохо- дят с обеих сторон от места КЗ. * Это позволяет сделать вывод, что распределение токов НП в сети определяется расположением не генераторов, а зазем- ленных нейтралей. Если трансформатор имеет соединение обмоток звезда- треугольник, то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов НП на стороне звезды. Поэтому РЗ, установ- ленные в сети звезды, не действуют при замыканиях на землю в сети треугольника. 267
Рис. 8.2. Распределение токов нулевой последовательности при однофазном КЗ: а — при заземлении нейтрали с одной стороны ЛЭП; б — при заземленных нейтралях с обеих сторон ЛЭП; в - при заземлении нейтралей в сетях высшего и низшего напряжений; г — при КЗ в сети с автотрансформатором 268
Рис. 8.3. Однофазное КЗ; а - участок сети с однофазным КЗ- б — схема замещения нулевой последовательности; в — зависимости и0 ‘fOp-Kl X иФ = Л'р-к) Если же сети различных на- пряжений связаны трансфор- матором, имеющим соедине- ние обмоток звезда-звезда, с заземленными нулевыми точ- ками обеих обмоток (рис. 8.2, в), то КЗ на землю в сети одной звезды вызывает появление токов НП в сети второй звезды. При наличии автотрансформатора АТ, связывающего сети двух напряжений (рис. 8.2, г), КЗ на землю в сети одного напря- жения вызывает появление токов НП в сети другого напряже- ния, так же как и в схеме на рис. 8.2, в. Из схемы замещения НП, приведенной на рис. 8.3, б, следу- ет, что напряжение Uop в какой-либо точке сети, например в точке Р - месте установки РЗ, меньше напряжения UqK в мес- те КЗ (точке К) на значение падения напряжения в сопротив- лении Z0(x-p) между точкам и К и Р, т. е. Пор = УоК ~ Iozo(K-F)‘ (8.1) Таким образом, чем дальше отстоит точка Р от места повреж- дения К, тем меньше напряжение Uo. В месте заземленных нейтралей трансформаторов (точ- ке Н) напряжение (70н = 0, так как точка Я непосредственно связана с землей. Зависимость Uop = имеет линейный характер и представлена на рис. 8.3, в, где для сравнения по- казано изменение напряжения поврежденной фазы С/д в зави- симости от расстояния до точки К. Учитывая, что в точке Н напряжение С70^ равно нулю, напряжение Uo в точке Р мож- но определять как падение напряжения от точки Н до точ- ки Р в сопротивлении ^о(Н-Р) (сопротивлением Ро пренебрега- ем, так как в сети ПО кВ и выше оно мало): иоР = 4р^о(Н-Р). (8.1а) 269
8.2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Схема и принцип действия защиты. Ненаправленная МТЗ НП применяется в сети с односторонним питанием места КЗ током IQ, т. е. при расположении трансформаторов с заземлен- ной нейтралью с одной стороны защищаемого участка. Функ- циональная схема этой РЗ состоит из одного ИО - пускового токового реле КАО (рис. 8.4, а, б), реле времени КТ и исполни- тельного реле KL. Реле тока КАО включено на фильтр тока НП, в качестве которого используется нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды. Ток в КАО равен гео- метрической сумме вторичных токов трех фаз: 4 = 4 +4 +4 = З^/Кр (8.2) При появлении тока 3/0 реле КАО срабатывает и приводит в действие реле времени КТ; последнее через время t подает сигнал на промежуточное реле KL, которое дает команду на отключение выключателя. Согласно (8.2) ток в пусковом реле РЗ появляется только в том случае, когда имеется ток Jo, поэтому МТЗ НП, показан- ная на рис. 8.4, может работать только при одно- и двухфазных Рис. 8.4. Схема токовой защиты нулевой последовательности: а — структурная схема; б — токовые цели; в — схема оперативных цепей РЗ с электромеханическими реле 270
КЗ на землю. При междуфазных КЗ (без ’’земли”), а также при нагрузке и качаниях МТЗ НП не действует, поскольку в этих режимах сумма токов 1А + 1В + 1С = 0 и ток 3/0 отсутствует. Важным преимуществом МТЗ НП является то, что она не реагирует на нагрузку. Благодаря этому ее не требуется отстраи- вать от токов нормального режима и перегрузок, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность этой РЗ по срав- нению с МТЗ, реагирующими на фазные токи. Однако в действительности работа МТЗ НП осложняется погрешностью ТТ, обусловленной их током намагничивания (см. § 3.1). Поэтому в режимах, когда имеет место баланс первичных токов (1а + 1в + 1с = 0), сумма вторичных токов 1а + + 1С =# 0. В нулевом проводе и пусковом реле МТЗ НП появляется оста- точный ток, называемый током небаланса (1Нб)> который может вызвать нежелательное действие РЗ при отсутствии первичного тока /0. Ток небаланса. Значение /нб можно найти, если в (8.2) учесть токи намагничивания ТТ: 1д + 1в + 1с (1а нам 1В нам 1с нам *1 \ Ъ + ~i + ~~Ъ Очевидно, что второй член в (8.3) является током небаланса. Обозначив его /нб и выразив первый член (8.6) через 10, полу- чим 3/0 /р = - 1нб- (8.4) Выражение (8.4) показывает, что ток в пусковом реле МТЗ НП состоит из двух слагающих: одно обусловлено первичным током 10 и второе - погрешностью ТТ. Последнее искажает значение тока 3/0, на которое реагирует МТЗ НП. Как следует из (8.3), ток небаланса равен геометрической сумме намагни- чивающих токов ТТ: т 1а нам /Внам /Снам лнб — ------------------- + —Л----- К; К/ Л/ (8.5) 271
Сумма намагничивающих токов обычно не равна нулю. Это объясняется тем, что токи намагничивания имеют неси- нусоидальную форму и, кроме того, различаются по значению и фазе вследствие нелинейности и неидентичности характе- ристик намагничивания и неравенства в величине вторичных нагрузок ТТ разных фаз. Значение тока /нб mQX в нулевом про- воде звезды ТТ обычно определяется при токе трехфазного КЗ в расчетной точке. Для ограничения тока небаланса ТТ должны работать в не- насыщенной части характеристики намагничивания и иметь по возможности одинаковые токи намагничивания во всех фазах. Чтобы обеспечить эти условия, ТТ, питающие МТЗ НП, должны: удовлетворять условию 10%-ной погрешности при максимальном значении тока трехфазного КЗ в начале сле- дующего участка; иметь идентичные характеристики намаг- ничивания и одинаковые нагрузки вторичных цепей во всех фазах. 8.3. ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направ- ления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной под- станции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ KW0, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рис. 8.5, а. По этой схеме выполняют- ся защиты как на электромеханических, так и на полупроводни- ковых реле. Схема состоит из пускового реле КАО, реагирующе- го на появление КЗ на землю, реле направления мощности KW0, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времени КТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3/0 в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РНМ подводится на- пряжение 3U0 от разомкнутого треугольника TH. При таком 272
Рис. 8.5. Схема максимальной токовой направленной защиты нулевой последо- вательности: а — структурная схема; б — схемы цепей тока и напряжения; е — цепи опера- тивного тока включении реле KW0 реагирует на мощность НП So = U0IQ. С учетом угла сдвига между векторами U0I0 * 90° и равенств Up = 3U0, 1р = 3/0 используются реле НП, реагирующие на мощ- ность: Sp = l/p/psin(a -Фр) = 9C/07asin(a - фр), (8.6) где Фр = Фо - угол сдвига фаз между Ц, и 1р или Uo и 10. Условия работы РНМ НП можно понять из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока, питающих реле (Ц, и 70) при одно- и двухфазных КЗ на землю (рис. 8.6 и 8.7). Для упрощения принято, что поврежденная ЛЭП разомкнута. За исходные при построении всех диаграмм взяты векторы ЭДС эквивалентного генератора энергосистемы ЕА, Eg, Ес, которые можно считать неиэменяющимися при КЗ. Однофазное КЗ, например, на фазе А характеризуется сле- дующими условиями, вытекающими на рис. 8-6, а: 1А = 1К, !А отстает от ЕА на 90°; уАК = 0; UB = EB; Uc = Ес- Векторы 273
Рис. 8.6. Векторные диаграммы токов и напряжений при однофазном КЗ: а — схема сети; б ~ диаграмма в точке К; в — диаграмма в точке Р; г, д — диа- граммы, построенные с помощью симметричных составляющих 3/ и 3t7o находятся геометрическим сложением векторов фазных токов и напряжений. В месте КЗ ток 31ок =1А и, следо- 1 1 1 вательно, 10к = а вектор ЗС/ОК = — (С/вк + Иск)- ПРИ ПРИ' 1 нятых допущениях иВк + Уск = ~ &А > поэтому J Uok=-~Ea. (8.7) ' Из рис. 8.6, б следует, что 10К опережает L/0K на 90°. Векторная диаграмма напряжений и токов в точке Р, уда- ленной от места однофазного КЗ, отличается от предыдущего , случая значениями UA и Uo: UAp - jI0KXp_K. Напряжения не- поврежденных фаз: УВ=ЕВ и Uc = Ес (рис. 8.6, в). 274
точка Р: увр=1в*8',исР=1.сХс', Uap-Ea Рис. 8.7. Векторные диаграммы при двухфазном КЗ на землю: а — токораспределение при двухфазном КЗ; б, в — диаграммы в точках К и Р; г, д — диаграммы, построенные с помощью симметричных составляющих Векторы иоР и 10к аналогично предыдущему случаю находят- ся геометрически суммированием фазных напряжений и токов. В соответствии с этим IQp = "з“2д’ &ор = ~^~(Уар + ~’вр + Уср>‘ При двухфазном КЗ на землю векторная диаграмма токов и напряжений в месте повреждения фаз В и С приведена на рис. 8.7, б. Этот вид повреждения характеризуется в месте КЗ тремя условиями, очевидными из рис. 8.7, a: UBK = 0; = 0; ~ °? Уа = ~А‘ В поврежденных фазах проходят токи 1В и 1С, каждый из которых состоит из двух составляющих, показан- ных на рис. 8.7 пунктиром. Одна составляющая замыкается по контуру поврежденных Фаз В и с и обусловливается разностью ЭДС Ев - Ес, а вторая проходит по контуру поврежденная фаза - земля под действием и Ес соответственно. Результирующие токи 7В и 1С, в отли- чие от токов при двухфазном КЗ без земли, сдвинуты между собой на угол 0, меньший 180°, (рис. 8.7, б): 275
UoK = у- Uak, a 1OK = -j(IB + lc). Диаграмма для точки P, находящейся на некотором удале- нии от места повреждения, представлена на рис. 8.7, е. Оче- видно, что токи в точке Р такие же, как и в точке К. Напряже- ние неповрежденной фазы также не меняется. Напряжения поврежденных фаз L/вр и L/cf равны падению напряжения от точки К до точки Р. 1 Напряжение Uop = — (Уар + Увр + Lfcp)- С учетом того, что Уар = &а, находим УоР = ~(£af + Увр + У ср)- Отсюда и из векторной диаграммы следует, что Uop < ио%. Ток IQ опережает Уок и Уор на угол <рок. Если не учитывать активного сопротивления, то фок = 90°. Векторные диаграммы на рис. 8.6 и 8.7 позволяют сделать выводы: 1) угол сдвига фр = Фо, определяющий знак и значение мощности Sp, на которую реагируют РНМ НП, равен (считая Z = X), согласно рис. 8.7, б, е, 90°. При учете активного сопро- тивления сети ф0 составляет 100-120°. Отсюда следует, что для НТЗ НП необходимо применять РНМ, имеющие макси- мальный момент в диапазоне значений Фр = 90 + 120°. К подоб- ным реле относятся электромеханические реле типа РБМ-177 с а = -20° и Фм.ч = -110“ и реле на интегральных микросхемах типа РМ 12-11, РМ 12-18 с фм.ч = -100°; 2) ток 310 при однофазном КЗ равен 1К (в режиме односто- роннего питания), а при двухфазном КЗ с землей - геометри- ческой сумме токов поврежденных фаз, т. е. току КЗ, проходя- щему через землю; 3) напряжение 3[7О имеет наибольшее значение (равное фазному напряжению) в месте КЗ (точка К). По мере удаления от точки КЗ напряжение 317О уменьшается. Из рис. 8.3, в сле- дует, что чем дальше от места КЗ находится РНМ, тем хуже условия его работы. При удаленных КЗ Sp(Up) может оказать- ся меньше Sc<p(L7c<p), в результате чего РНМ, а следовательно, и РЗ не будут работать. Для расширения зоны действия НТЗ НП необходимы высоко- чувствительные РНМ. Для исключения отказа РНМ из-за нв- 276
рис 8.8. Схема максимальной токовой зашиты нулевой последовательности с блокирующим реле направления Мошн°сти; а - схема сети; б - цепи оператив- ного тока достаточной чувствительности при удаленных КЗ можно при- менять схему, показанную на рис. 8.8. В этой схеме реле KW0 срабатывает не при КЗ на защищаемой ЛЭП (как в обычных схемах), а при повреждениях на землю (точка К2) на ЛЭП и трансформаторах, подключенных к шинам, от которых отходит защищаемая ЛЭП. При этом реле KW0 подает сигнал, блоки- рующий НТЗ НП, т. е. запрещающий ей действовать. В случае КЗ на защищаемой ЛЭП (КГ) реле KW0 не работает и НТЗ НП действует только по сигналу, подаваемому реле тока КАО без разрешающего сигнала РНМ, как ненаправленная НТЗ НП. При такой схеме чувствительность пускового реле должна быть меньше чувствительности РНМ, когда последнее блокирует РЗ. 8.4. ОТСЕЧКИ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Назначение, принцип действия и разновидности отсечек. Для ускорения отключения КЗ на землю в сетях с глухозазем- ленной нейтралью применяются отсечки, реагирующие на ток НП. Принцип действия их такой же, как и у отсечек, реагирующих на фазный ток (см. гл. 5). Отсечки НП выполня- ются направленными и ненаправленными, мгновенными и с выдержкой времени. Токовые ненаправленные отсечки НП применяются на ЛЭП с односторонним питанием КЗ токами А» т. е. там, где заземленные нейтрали трансформаторов рас- положены с одной стороны ЛЭП. Схема отсечки с выдержкой времени выполняется так же, как и для МТЗ НП, по структурной схеме на рис. 8.4. Отсечка без выдержки времени выполняется по той же схеме, но без Реле времени КТ. 277
Ненаправленные отсечки НП мгновенного действия можно применять и в сети, имеющей заземленные нейтрали с обеих сторон защищаемой ЛЭП, если, выполняя требование селек- тивности, удается обеспечить необходимую чувствительность отсечки. Направленные отсечки НП, как и ненаправленные, имеют токовый пусковой орган и дополнительно орган направления мощности (ОНМ), в качестве которого служит РНМ смешан- ного типа, такое же, как в схеме МТЗ НП. Схема направлен- ной отсечки с выдержкой времени имеет реле времени Кт и выполняется аналогично схеме на рис. 8.5. Направленная отсечка с РНМ выполняется по этой же схеме, но без реле вре- мени КТ. ОНМ разрешает отсечке действовать только в одном направлении - при КЗ на защищаемой ЛЭП. Благодаря этому отпадает необходимость в отстройке отсечек от 310, проходяще- го по защищаемой ЛЭП при КЗ на шинах подстанции, где она установлена. 8.5. СТУПЕНЧАТАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В сетях 110 кВ и выше большое распространение получила ступенчатая НТЗ НП, а на радиальных ЛЭП с односторонним питанием током 10 и ненаправленная МТЗ НП. Ступенчатая РЗ состоит из сочетания отсечек без выдержки и с выдержкой времени и МТЗ НП. ЧЭАЗ выпускает эту РЗ в комплекте с дистанционной РЗ типа ЭПЗ-1636 и с дистанционной РЗ на ИМС - типа ЩДЭ-2801. Схема и характеристика подобной 4-ступенчатой НТЗНП приведены на рис. 8.9 и 8.10. Первая ступень РЗ является отсечкой без выдержки време- ни, выполняется с помощью реле тока КА01 и направления мощности KW0, обеспечивает быстрое отключение КЗ в первой половине защищаемой ЛЭП. Вторая ступень отстраивается от токовой отсечки следующего участка и имеет Гц = 0,4 * 0,6 с; она осуществляется посредством реле КА02 и реле времени КТ1, обеспечивает РЗ второй половины защищаемой ЛЭП. Третья ступень отстраивается от второй ступени РЗ следуют©' го участка и имеет выдержку времени ГН1 = 0,9-;- 1,1 с, она вы- полняется с помощью реле КА03 и КТ2, служит для резерви- рования ЛЭП, отходящих от шин противоположной ПС. Чет- 278
Рис. 8.9. Четырехступенчатая направ- ленная защита нулевой последователь- ности: а — цепи тока и напряжения; б — оперативные цепи Рис. 8.10. Характеристика времени действия трехступенчатой защиты ну- левой последовательности и согласо- вание ее со смежной РЗ В: с tjg; ^зА с *гВ и (зВ вертая ступень предназначена для резервирования РЗ сле- дующего участка с наибольшим коэффициентом чувствитель- ности. Она выполняется с помощью реле КА04 и КТЗ. Для отстройки отсечки от действия разрядников предусмотрено промежуточное реле KL1 с временем срабатывания 0,03— 0,06 с.
8.6. ВЫБОР УСТАВОК ТОКОВЫХ ЗАЩИТ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Ненаправленные отсечки нулевой последовательности. Как уже отмечалось выше, токовые ненаправленные защиты НП применяются на ЛЭП с односторонним питанием места КЗ токами 10 там, где заземленные нейтрали трансформаторов расположены с одной стороны линии (рис. 8.11, а). Мгновенные отсечки НП отстраиваются от тока 31огпах при КЗ на шинах противоположной ПС аналогично (5.2): 4.3 ~ ^отс 3Iomax . (8.8) Ненаправленные токовые отсечки НП можно применять также в сети, имеющей заземленные нейтрали с обеих сторон защищаемой ЛЭП (рис. 8.12). В этом случае селективность действия ненаправленной отсечки АК достигается отстрой- кой ее тока срабатывания от токов, проходящих по защища- емой ЛЭП как при КЗ на шинах противоположной ПС В, так и при КЗ на шинах ПС А, где установлена отсечка (рис. 8.12, а). По большему из этих двух токов 3/0к1пах или 3Z0K2nflX опреде- ляется ток 4здк, обеспечивающий селективность отсечки. Если при этом чувствительность ненаправленной отсечки окажется недостаточной, следует применять направленную отсечку НП. Расчет ведется по (8.8). Рис. 8.11. Зашита линий с помощью от- сечек нулевой последовательности (а); графический расчет и зона дей- ствия этих отсечек (б): согласование времени и зон действия РЗ 2 и 3: 1 — /с з мгновенной отсечки на ЮГ, 2 — /с>32 “ отсечки с выдержкой вре- мени на ЮГ, 3 — /с.эз ~ отсечки мгно- венного действия на Ю2‘, !31, /32» (эз ~ зоны действия отсечек 1, 2, 3 280
Рис. 8.12. Расчет /с,3 мгновенной направленной отсечки нулевой последова- тельности в сети с двусторонним питанием токами Отсечки с выдержкой времени (реле 2 на рис. 8.11, а) отстраи- ваются по току и времени от мгновенной токовой отсечки НП 3 следующей ЛЭП W2. При расположении нейтралей с одной стороны защищаемой линии W1 ток 310 в отсечках 2 и 3 при КЗ на ЛЭП W2 одинаков. Поэтому, исходя из условия селек- тивности, принимают ^С.32 ~ ^ОТС^С.ЗЗ, (^-9) где ^отс = 1,2. Выдержка времени t2 = t3 + At. Максимальная токовая защита НП. При согласовании устав- ки времени с РЗ трансформаторов необходимо учитывать, что МТЗ НП, в отличие от МТЗ, реагирующих на фазные токи, не действует при КЗ за понижающими трансформаторами с соеди- нением обмоток т/а или r/х с изолированными нейтралями, поскольку при этом на стороне высшего напряжения ток 37О не возникает (см. рис. 8.2, б}. Зоны действия отсечек определяются графически по точ- ке пересечения кривой 3Z0 = fflp-к) с прямой /с.э, как показано на рис. 8.11, б. Для полноценной защиты отсечки мгновенные и с выдержкой времени должны дополняться МТЗ НП, пол- ностью резервирующей предыдущие присоединения. Выбор ее уставок рассматривается ниже. Направленные отсечки нулевой последовательности. Ток срабатывания направленной мгновенной отсечки НП выбира- ется так, чтобы она не действовала при КЗ за шинами противо- положной подстанции В (рис. 8.12, а, б). Для выполнения это- 281
го требования необходимо принять Д.з = ЗДрасч1 (8.10) Значение 1орасч должно определяться для реально возмож- ной схемы сети и режима заземленных нейтралей, при кото- рых определяемый ток будет максимальным. Для отсечки с реле РТ-40 и полупроводниковыми реле тока на ЛЭП 110-220 кВ можно принимать кн = 1,2 + 1,3, а для реле РТ-80 и РТ-90 кн = = 1,4 + 1,5. На ЛЭП 330-750 кВ Кн = 1,4 4- 1,5 с учетом того, что апериодическая составляющая тока КЗ в этих сетях затухает медленнее [6]. Если в сети, где установлена МТЗ НП, возможна работа ка- кой-либо ЛЭП двумя фазами (например, во время действия ОАПВ), то ток срабатывания РЗ нулевой последовательности нужно дополнительно отстроить от токов 3/0, появляющихся в указанном режиме, или принять tc>3 > t0AnB- В общем случае чувствительность МТЗ НП характеризуется коэффициентом чувствительности кч - 31от|п/1осз, где 3/от|п - минимальный ток НП при однофазном КЗ на землю для двух случаев: в конце защищаемой ЛЭП и в конце резервируемого участка. В первом случае считается нормальным кч 1,5, а во втором-не менее 1,2. Ток срабатывания мгновенных отсечек на параллельных линиях необходимо выбирать с учетом наличия значительной взаимоиндукции от параллельной цепи, а также от парал- лельных участков линий, проходящих вблизи, которые ока- зывают существенное влияние на сопротивление НП [5]. При одинаковом направлении токов I в обеих цепях взаимоиндук- ция одной ЛЭП увеличивает сопротивление второй, а при различном - уменьшает его. В результате этого в первом слу- чае токи в параллельных ЛЭП уменьшаются, а во втором - увеличиваются. Имея это в виду, максимальное значение тока I в параллельных линиях при внешних КЗ определяют из рассмотрения трех расчетных схем (рис. 8.13, а-в). При КЗ в точке К1 на шинах противоположной подстанции возможны две схемы, показанные на рис. 8.13, а, б. Максималь- ный ток / в ЛЭП получается в случае отключения одной из параллельных цепей и заземления ее с двух сторон (рис. 8.13, б)« В этом режиме сопротивление оставшейся в работе линии W1 вследствие взаимоиндукции от тока 102 уменьшается, что влечет за собой увеличение расчетного тока. 282
Рис. 8.13. Расчет токовой отсечки на параллельных пиниях. Расчетные схемы для выбора тока срабатывания отсечек нулевой последовательности на парал- лельных ЛЭП (а—в) и характер изменения тока /01 при КЗ на односторонне от- ключенной параллельной линии W2 (г) Третья расчетная схема приведена на рис. 8.13, в. При опре- деленных сочетаниях сопротивлений Хо элементов рассматри- ваемой сети ток / в ЛЭП W1 может достигнуть максимального значения не в случае повреждения на шинах в точке FCI, а при КЗ на параллельной ЛЭП в точке К2 в режиме односторон- него отключения этой ЛЭП. Хотя КЗ в точке К2 является более удаленным, чем КЗ в точке К1, ток I в ЛЭП W1 в этом случае может оказаться больше благодаря уменьшению сопротив- ления wi, вызванного взаимоиндукцией от W2, создаваемой током /о2, направленным противоположно 101. Характер изме- нения 2q2 в зависимости от положения точки КЗ показан на рис. 8.13, г- В качестве 1орасч берется большее из получен- ных значений / Из теории расчета токов КЗ [5] известно, что при равенст- ве суммарных сопротивлений прямой и обратной последова- тельностей схемы замещения ток если Х0£ > Хх£. Подсчитав и сопоставив Хо£ с Х12, находят расчетный вид КЗ (одно- или двухфазное КЗ на землю). 283
Чувствительность первой ступени МТЗ НП проверяется при КЗ на землю в месте ее установки. Коэффициент чувстви- тельности должен быть не менее 1,2 [6]. Зона действия отсеч- ки может быть найдена графически, как показано на рис. 8.11 по точке пересечения кривой 3/0 = с 4.з- Кроме отстрой- ки от токов КЗ необходимо проверить отстройку мгновенной отсечки от токов неполнофазного режима, появляющихся при неодновременном замыкании фаз выключателя и при дейст- вии ОАПВ. От неодновременное™ замыкания фаз. которая в нормально отрегулированном выключателе очень мала, мож- но отстроиться собственным временем отсечки 0,06-0,1 с. От неполнофазного режима, возникающего в цикле ОАПВ, отсечка с t = 0 с должна отстраиваться током срабатывания по (8.11). Уставки отсечки с выдержкой времени. Селективность от- сечки (АК1 на рис. 8.14) с выдержкой времени t > 0 обеспечи- вается ограничением ее зоны срабатывания, так чтобы отсеч- ка АК1 не действовала за пределами быстродействующей зо- ны защиты АК2, установленной на следующем участке (W2), и была бы согласована с АК2 по времени. Исходя из этого ус- ловия ток срабатывания рассматриваемой отсечки АК1 отстраи- вается от тока 3/0, появляющегося в защищаемой ЛЭП W1 при КЗ в конце зоны РЗ АК2 (точка М на ЛЭП W2). Ток срабаты- вания отсечки АК1 определяется по выражению 4.з ~~ ^отс max, (8.11) где 310^шах - максимальное значение периодической состав- ляющей тока 3/0, проходящего по W2, при КЗ на землю в точ- ке М (в конце зоны РЗ, от которой производится отстройка); кт - коэффициент токораспределения, учитывающий влияние тока подпитки /от от нейтрали трансформатора Т, подключен- ного к шинам противоположной ПС В, kr = 3/oVV2/3JoW2’ ^отс не учитывает апериодической составляющей тока 3/0, поскольку 4тс 0,30,5 с; /с0ТС = 1,1. Если к шинам противоположной ПС В подключен автотранс- форматор или трансформатор с соединением обмоток Y0/Y0 с заземленными нейтралями, то отсечка должна быть отстроена по току и времени от РЗ НП с t = 0, с установленной на АТ (транс- форматоре), направленной в сторону смежной сети другого напряжения или от конца зоны дифференциальной РЗ этих элементов. 284
Рис. 8.14. Расчет направленных отсечек нулевой последовательности с выдерж- кой времени: а — схема сети; 6 — графический расчет; в — схема замещения; г — согласова- ние уставок защит на параллельных ВЛ На рис. 8.14 приведен графический способ определения значения 310м в (8.11) и зоны действия отсечки с выдержкой времени АК1. Строятся кривые 1АК1 и 1А^2 (рис. 8.14, б) изме- нения тока 310, проходящего в реле отсечек АК1 и АК2 при КЗ в разных точках W1 и W2. По точке пересечения кривой 1АК2 с прямой L 3 Ак2 находится граница (точка М) зоны действия мгновенной отсечки В, установленной на W2. Для найденной точки М по кривой IAKi определяется зна- чение тока 310М’ проходящего через отсечку АК1 при КЗ в конце зоны действия отсечки В. Полученный ток 310м являет- ся расчетным током, от которого нужно отстроить отсечку АК1. Подставляя найденный ток в (8.11), находим Zc э akj , пРи котором отсечка А не работает за пределами зоны действия отсечки АК2. Ток А.з.ахь удовлетворяющий этому условию, можно найти аналитически, определив коэффициент токорас- пределения кт в схеме НП рассматриваемого участка сети (рис. 8.14, а). 285
Из схемы замещения этого участка (рис. 8.14, в) следует что при КЗ в любой точке ЛЭП W2 отношение между токами IQ и /0 W2 является постоянной величиной и равно: ioWi *оВ ------- = --------- = 4 W2 + -^оВ Отсюда hwi - IqW2 (8.12) При КЗ в конце зоны отсечки в условиях, когда последняя находится на грани действия, ток IoW2 = подставив это в (8.12), найдем, что в этом случае по отсечке АК1 будет прохо- дать ток IoW1 = кт1сэАК2. Если принять L3akj = кт1сзАК2, то при токе IoW2 < k.,AK2 ток проходящий по отсечке АК1, также будет меньше 4.з АК1 и> следовательно, РЗ АК1 не будет действовать за пре* делами зоны действия РЗ АК2. С учетом этого принимается: 4.3 АК1 = kn кт 4.3 АК2- При выборе 4.зАК1 отсечки с выдержкой времени на парал- лельных ЛЭП для определения максимального значения 4расч необходимо исходить из расчетных схем, приведенных на рис. 8.13. В этом случае чувствительность отсечки АК1 со- гласуется с мгновенными отсечками АК2 и АКЗ (рис. 8.14, г). Выдержка времени t^Ki отсечки АК1 принимается на ступень At больше времени действия отсечки АКЗ на парал- лельной ЛЭП и отсечки АК2. При наличии ОАПВ, которое широко применяется в сетях ВН и СВН, ток срабатывания отсечки 4ло наД° отстроить от 3IQ, появляющегося в неполнофазном режиме на защищаемой ЛЭП в цикле ОАПВ (если tOAnB > 4), или отстроить отсечку по времени, выбрав t0 > tOAnB. Выбор уставок чувствительных ступеней МТЗ нулевой по- следовательности. Уставки чувствительных ступеней (третьей и четвертой) МТЗ НП согласуются по чувствительности и вы- держкам времени с уставками аналогичных РЗ, установлен- ных на предыдущих участках контролируемой сети. Кроме того, токовые реле чувствительных ступеней МТЗ НП должны отстраиваться от токов небаланса, возникающих в нулевом проводе ТТ при протекании больших токов КЗ или качаний. 286
Чтобы исключить неселективное срабатывание МТЗ НП под воздействием тока небаланса при междуфазных КЗ за пределами защищаемой ЛЭП, ток срабатывания РЗ выбирает- ся больше тока небаланса по следующему выражению: /с.з НП = ^отс^нбтах- (8.13) Это условие должно выполняться, если рассматриваемая МТЗ НП имеет выдержку времени, равную или меньшую, чем РЗ от междуфазных КЗ, установленная на поврежденном эле- менте. Как правило, указанное соответствует условию отстрой- ки от токов небаланса при КЗ между тремя фазами за транс- форматорами и на стороне низшего напряжения автотрансфор- маторов подстанций данного и противоположного концов защищаемой ЛЭП [6]. В (8.13) /сотс принимается равным 1,25, а /нб определяется по выражению 4i6 “ ^нб^расч» (8.14) где 1расч соответствует току трехфазного КЗ; /снб принимается равным: 0,05 - при небольших кратностях 1К до (2-3)2ном; 0,05-0,1 - при больших кратностях, но не превосходящих (0,7 - 0,8) 1К10 (!к10 - предельная кратность первичного тока ТТ при 10%-ной погрешности). При больших кратностях тока КЗ ZHg определяется в соот- ветствии с [6]. Если выдержка времени рассматриваемой МТЗ НП превыша- ет время срабатывания соответствующих РЗ от междуфазных КЗ, ток срабатывания чувствительной ступени МТЗ НП отстраи- вается от тока 1нб тах при наиболее тяжелом нормальном ре- жиме. Руководящие указания по РЗ [5] рекомендуют в этом случае принимать меньшее из указанных выше значений /снб. Если по ЛЭП, на которой установлена рассматриваемая МТЗ НП, могут возникать синхронные качания или асинхрон- ный ход, сопровождаемые значительным увеличением токов во всех фазах, необходимо проверить отстройку РЗ от возни- кающих при этом токов небаланса.
8.7. ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТОКОВЫХ СТУПЕНЧАТЫХ ЗАЩИТ НП В отечественных энергосистемах МТЗ НП получила широкое распространение в сетях 110-1150 кВ. Положительными каче- ствами РЗ являются простота схемы, высокая надежность и чувствительность; ОНМ, как правило, работает в условиях наибольшей чувствительности. Практически на всех ЛЭП сред- ней и большой протяженности успешно применяются отсечки и вместе с тем многоступенчатые МТЗ НП. К недостаткам, свойственным принципу действия РЗ, сле- дует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи ТТ, а НТЗ НП имеет мертвую зону по на- пряжению при удаленных КЗ. Важным условием стабильности зон РЗ является стабильность заземленных нейтралей транс- форматоров и автотрансформаторов электрической схемы энер- госистемы. Вопросы для самопроверки 1. Какой тип реле мощности применяется в защитах от замы- каний на землю? 2. Как изменится ток однофазного КЗ при увеличении числа заземленных нейтралей в сети? 3. Как графоаналитическим методом определить ток сра- батывания второй ступени? 4. С какой целью составляются комплексные схемы замеще- ния при расчете защит нулевой последовательности? 5. Что означает коэффициент токораспределения? Глава девятая ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 9.1. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ В отечественных энергосистемах электрические сети напря- жением 6-35 кВ работают, как правило, с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземленной через большое ин- 288
рис. 9.1. Протекание фазных токов при замыкании на землю в сети с изолиро- ванной нейтралью дуктивное сопротивление дугогасящего реактора (ДГР), а так- же с заземлением через большое активное сопротивление. В отличие от сети с глухозаземленной нейтралью, однофазное замыкание в сети с изолированной нейтралью не сопровождает- ся появлением больших токов КЗ, поскольку ток повреждения замыкается на землю через очень большие сопротивления емкостей фаз сети. Рассмотрим характер изменения напряжения и токов в се- ти и их векторные диаграммы в нормальных условиях и при однофазном замыкании на землю (Кд1*) в режиме, когда нейт- раль сети изолирована, замкнута через дугогасящий реактор или через активный резистор. Для упрощения принимаем, что нагрузка сети отсутствует. Это позволяет считать фазные напряжения во всех точках сети неизменными и равными ЭДС фаз источника питания. На рис. 9.1 приведена радиальная сеть с изолированной нейтралью с источником питания (гене- ратором или понижающим трансформатором) и одной экви- валентной ЛЭП, условно представляющей всю сеть. Распреде- ленная емкость фаз относительно земли заменена эквива- лентной сосредоточенной емкостью Со. Сопротивления R и X ЛЭП не учитываются. Емкость источника питания также не учитывается вследствие ее малого значения. В нормальном режиме напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напря- жениям уА, Ув, Ус, которые при отсутствии нагрузки равны '-'ДС источника питания Ед, Eg, Eq. Векторы этих фазных на- пряжений образуют симметричную звезду (рис. 9.2, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали 289
Рис. 9.2. Векторные диаграммы фазных токов и напряжений: а — в нормальном, симметричном режиме; б — при замыкании одной фазы на землю N отсутствует: = 0. Под действием фазных напряжений че- рез емкости фаз относительно земли Сд, Cb,Cq проходят то- ки, опережающие фазные напряжения на 90°: Ia = = Ув/-рСс’> I-С = где шС0 (9.1) Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому 3/0 отсутствует (рис. 9.2, а). Металлическое замыкание на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью. Допустим, что повредилась фаза А (см. рис. 9.1), тогда ее фазное напряжение относительно земли снижается до нуля (1)д = 0). Напряжение нейтрали по отношению к земле становится равным = Urn (рис. 9.1 и 9.2, б), т. е. напряжению, равному по значению и обратному по знаку заземлившейся фазы: L'v = L'kn = -Еа- (9-2) Напряжение неповрежденных фаз относительно земли по- вышаются до междуфазных значений = Uba и = 5/сл* Междуфазные напряжения остаются неизменными, что вид- но из рис. 9.1 и 9.2. 290
На рис. 9.2, б построена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (Ug'1, Uc\ UN): точки А, В, С представляют потенциалы проводов, точка N соответствует нейтрали источника питания, точка А связана с землей и имеет нулевой потенциал. Токи при замыкании на землю. В месте повреждения К про- ходят токи, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз сети (9.1). Поскольку UA = 0, то /А(О = 0. В двух других фа- зах под действием напряжений UB и U'q появляются токи, опережающие на 90° эти напряжения: /в(О = №ва/хс и ^с(О = Wca/Xc- (9-3) Ток в месте повреждения равен сумме токов в фазах В и С(рис. 9.1): 13(р = (1в(п + ^С(р)- С учетом (9.3) ./ Uba Uca\ _ . I Uba + uca A<e)=>|i^+ xc // Поскольку UBA + UCA = - 3Ea (рис. 9.2, 6): _4(C) = = -j3UA^Xc. (9.4) Таким образом, ток I3^ равен утроенному значению нор- мального емкостного тока фазы /ф(о == [Уф/Хо Из рис. 9.2,6 видно, что ток опережает от на 90°. Ток 1э^Су может быть определен по формуле Д(О = 31Сф = ЗПф/Хс = ЗЦ^Суд/. ЮЛ где I - общая протяженность одной фазы сети; Суд - емкость 1 км фазы относительно земли. В воздушных сетях находится в пределах от долей до нескольких десятков ампер; в кабельных - от нескольких ампер до 200-400 А в сетях больших городов. Токи и напряжения нулевой последовательности при замы- каниях на землю. При замыкании на землю в фазных напряже- ниях и токах появляются составляющие НП: УоК =-;«/;+Ув + Ус); (9-5) 4 =^(1л +/в +1с)- (9.6) 291
Рис. 9.3. Протекание токов нулевой последовательности при замыкании на зем- лю в сети с изолированной нейтралью Подставляя в (9.5) значения и'в и С/с, получаем U,K = ±(Vba + UCA) = -Еа = UN. (9.7) Поскольку сопротивление проводов значительно меньше Хс, во всех точках сети Uo = UoK. Токи IQ, возникающие под действием L/Ox> замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются. Из распределения токов 10, показанно- го на рис. 9.3, следует: ^о(С) = -jUoK/Xc = ~]ЕА/ХС = -]иф/Хс, (9.8) где Пф - нормальное напряжение поврежденной фазы. Из приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что емкостный ток в месте замыкания Л(С) = 31О(С)- (9.9) Токи 310(С) и 4(C) совпадают по фазе и опережают вектор напряжения. Компенсированная сеть. Рассмотрим сеть, нейтраль кото- рой заземлена через дугогасящий реактор ДГР, предназначен- ный для компенсации емкостных токов в месте повреждения (рис. 9.4). При замыкании на землю напряжения во всех точках такой сети имеют те же значения, что и в сети с изолирован- ной нейтралью. При наличии ДГР под действием напряжения t/o/c - Un = -Еа возникает индуктивный ток 1дгр, который про- ходит по замкнувшейся на землю фазе А поврежденной ЛЭП W1 к месту замыкания К и по земле возвращается в ДГР 292
3 hid г ^o(g) Рис. 9.4. Токи нулевой последовательности при замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР или активное сопротив- ление: Q- распределение токов; б—векторная диаграмма
1дгр = -Ед/ХдГр. Этот ток накладывается на емкостный ток /з(С)1 Являясь индуктивным, /дГр противоположен по фазе /з(С)- Результирующий ток h = /дгр + 1з(С) = Яд/^ДГР + ЗЕаО)Со. При полной компенсации, которую обычно стремятся обес- печить, /дрр = 4(C) = 3£дшС0, и тогда результирующий ток 1э=0. Емкостный ток НП 10(С) (рис. 9.4, а) проходит по всем непо- врежденным и поврежденной ЛЭП. Ток /дрр проходит только по поврежденному присоединению W1. Ток /0 в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка его изолиро- вана. В неповрежденных ЛЭП (и>п) сумма фазных емкостных токов при замыканиях на землю всегда отлична от нуля и равна 3/0(cjw . Токи lQ(c)wn направлены к шинам, их значения определяются емкостями Со ЛЭП: X 4>Wn = 3/0 Wn = 3U0K wCoWn- (9-Ю) п п л В поврежденной ЛЭП W1 на участке от шин подстанции до точки замыкания К ток 3/опл равен суммарному току £ ^о(С)х = 4(C) в месте повреждения за вычетом тока Ч(С)п.я = 3UoK 0(С01-СОНП.Л). (9.11) Ток 3/0(QnjI направлен от шин подстанции к месту замыка- ния, он всегда противоположен токам 31 (С} в неповрежденных ЛЭП. При наличии ДГР ток в начале поврежденной ЛЭП 3/оПЛ равен разности токов /дрр дугогасящего реактора и суммарно- го емкостного тока неповрежденных ЛЭП: Ч п.л — ^ДГР ~ £ 3/0(С)нп.л — ЗУ0К = ^57 - ысо1 -3i/oKQcoWJ). <9Д2) При полной компенсации /щ-р = % 3/0^с^нп л и тогда Чп.л = WoK«CoW1. (9.13) 294
Следовательно, в компенсированной сети в начале повреж- денной ЛЭП (между шинами и точкой К) проходит остаточ- нь1й индуктивный ток ДГР, численно равный емкостному току поврежденной ЛЭП (W1 на рис. 9.4). Направление этого тока при полной компенсации будет совпадать с направлением тока в неповрежденных ЛЭП. Распределение токов /0, пока- занное на рис. 9.4, справедливо для любых значений (о, т. е. для всех гармоник (кроме кратных трем) токов /0 и 1$. Токи в сети с активным сопротивлением. Иногда параллель- но дугогасящему реактору включается резистор R (показано пунктиром на рис. 9.4). Тогда, кроме токов /о(с) и /дгр, появ- ляется третий ток IR = Uok/R, совпадающий по фазе с UoR и сдвинутый на 90° по отношению к токам 10(С) и /дгр- Таким образом, при наличии резистора R ток в месте повреждения I, = 7(1дгр-3/„(С))2 + Л- (9-И) При замыкании на землю через переходное сопротивление Rn напряжение поврежденной фазы UA = I3Rn = Uok, а напря- жение в нейтрали = -Ед + U%, т. е. оно оказывается мень- шим, чем при металлическом замыкании. Соответственно уменьшаются напряжения неповрежденных фаз относитель- но земли, а также токи 10 и /3. В емкости поврежденной фазы Vk появляется ток 1А = —. В расчетах снижение тока и напряжения НП, обусловленное сопротивлением Rn, учитывается коэффициентом полноты замыкания ₽ = UoK/U^. При металлическом замыкании (3=1, так как UoR = Цф. При неполном замыкании на землю Uqk ~ = pl/ф, ток /0 = ₽С7ф/Хс, а ток 13 = 310 = ЗВПф/Хс. (9.15) 92. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ Поскольку замыкания на землю не вызывают появления сверхтоков и не искажают значения междуфазных напряже- ний, то они не отражаются на питании потребителей и не со- провождаются перегрузкой оборудования опасными токами. Поэтому в отличие от КЗ замыкания на землю в сети с изоли- рованной нейтралью не требуют немедленной ликвидации. 295
Однако отключение замыканий на землю является все же необходимым, так как в результате теплового воздействия тока замыкания на землю и электрической дуги в месте по- вреждения возможно повреждение изоляции между фазами на кабельных ЛЭП и переход однофазного замыкания в между, фазное КЗ. Помимо этого, из-за перенапряжений, вызываемых замыканием на землю, возможен пробой или перекрытие изо- ляции на неповрежденных фазах, что приводит к образованию двойных замыканий на землю в разных точках сети. В России принято выполнять РЗ от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью с действием на сигнал [1]. Дежурный персонал принимает меры к переводу нагрузки по- врежденной ЛЭП на другой источник питания, разгружая по- врежденную ЛЭП, и затем отключает ее. В современных раз- ветвленных городских сетях 6-10 кВ эти операции требуют зна- чительных переключений, затягивающих ликвидацию повреж- дений. Поэтому в автоматизированных сетях целесообразно применять селективную защиту с действием на отключение повреждения. Защиты от замыканий на землю независимо от режима ком- пенсации должны быть селективными, иметь высокую чувст- вительность; последнее вызывается тем, что токи, на которые реагирует РЗ, очень малы. Особые требования предъявляются к РЗ от замыканий на землю в сетях, питающих электродвигатели шахт, торфораз- работок, карьеров и передвижных установок. Здесь представ- ляет опасность ’’напряжение прикосновения” и переход замы- кания на землю одной фазы в двойное замыкание. При двой- ном замыкании на землю ’’шаговое напряжение” и ’’напряже- ние прикосновения” достигают значений, опасных для людей, обслуживающих установки. Поэтому для безопасности персо- нала, ведущего добычу торфа, РЗ от замыкания на землю в таких сетях должна при появлении ’’земли” немедленно от- ключить поврежденный участок. Эти РЗ должны отличаться особенно высокой чувствительностью, так как емкостные токи в сетях, питающих торфоразработки, обычно не превышают 0,5-1 А. Замыкания на землю в воздушных сетях, особенно в населенных районах, также целесообразно отключать от РЗ для обеспечения безопасности населения. Защита должна надежно действовать как при металлическом, так и при не- 296
полном замыкании через переходное сопротивление Rn. Чув- ствительность РЗ считается достаточной [1], если она действует с кч более 1,25 для кабельных и 1,5 для воздушных ЛЭП. 9.3. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИИ НА ЗЕМЛЮ Все виды РЗ от однофазных замыканий на землю реагируют на составляющие нулевой последовательности тока 10 и на- пряжения Uo. Простейшим устройством является неселектив- ная сигнализация о появлении замыкания на землю, реаги- рующая на ЗЦр Такое устройство состоит из одного реле по- вышения напряжения KV0, которое питается напряжением ЗС7О от обмоток TH, соединенных по схеме разомкнутого тре- угольника (рис. 9.5). Подобная неселективная сигнализация устанавливается на шинах РУ 6-35 кВ. Возможен и другой ва- риант ее исполнения, изображенный на том же рисунке. В этой схеме сигнал о появлении земли дает реле КА0, включенное в нулевой провод вольметров контроля изоляции фаз сети, показания которых позволяют определить поврежденную фазу. Селективная сигнализация должна дополняться РЗ, способ- ной определять, на каком участке сети возникло замыкание на землю. В качестве селективных применяются токовые не- направленные и направленные РЗ, реагирующие на состав- ляющие НП. Все применяемые РЗ можно подразделить на четыре груп- пы защиты, реагирующие: 1) на естественный емкостный ток сети (такой способ РЗ рис. 9.5. Схема неселективной сигна- лизации при замыканиях на землю 297
возможен только при отсутствии компенсации или при нали- чии перекомпенсации емкостного тока сети); 2) на токи НП, создаваемые искусственным путем; 3) на токи высших гармоник, возникающие в поврежденной ЛЭП при резонансной компенсации емкостных токов в уста- новившемся режиме; 4) на токи переходного режима, возникающие в первый мо- мент замыкания. 9.4. ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Для получения составляющих токов Jo возможно использо- вание трехтрансформаторных фильтров (см. § 3.5), примени- емых в сетях с глухозаземленными нейтралями или специаль- ных трансформаторов тока нулевой последовательности (рис. 9.6). Как уже отмечалось, токи Ig11 очень малы, поэтому трехтрансформаторные фильтры не могут применяться. Действительно, выполнение чувствительной селективной сигнализации с использованием обычных трансформаторов тока и электромеханических реле встречает ряд серьезных трудностей: 1) номинальный ток обычных ТТ выбирается по току на- грузки линии, и поэтому они имеют сравнительно большие коэффициенты трансформации. Вследствие этого вторичный ток замыкания на землю имеет очень малое значение. Так, например, если ток замыкания на землю составляет 18 А, а ТТ имеют коэффициент трансформации 600/5, то вторичный ток равен 0,15 А; 2) для включения на такой ток необходимо выбрать самое чувствительное токовое реле РТ-40/0,2, которое имеет сопро- тивление обмоток 80 Ом. Включение реле с такими большими сопротивлениями приводит к тому, что только часть тока по- падает в реле, а другая часть, называемая током отсоса, беспо- лезно замыкается через вторичные обмотки ТТ неповрежден- ных фаз. Ток отсоса может достигать 40-50%. Значительно большую чувствительность обеспечивает сиг- нализация при однофазных замыканиях на землю, выполня- емая на специальных ТТ НП (ТНП), имеющих на выходе ма- лые токи небаланса и позволяющие благодаря этому выпол- нить более чувствительные РЗ. Устройство ТНП показано на 298
Рис. 9.6. Трансформатор тока ну- левой последовательности: а — устройство; б схема заме- щения; в — установка ТНП на кабе- ле; 1 — магнитопровод; 2 — обмотка; 3 — трехфазный силовой кабель рис. 9.6, а. Магнитопровод 1, собранный из листов трансформа- торной стали, имеет обычно форму кольца или прямоугольни- ка, охватывающего все три фазы защищаемой кабельной ЛЭП. Провода фаз А, В, С, проходящие через отверстие ТНП, явля- ются первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка 2 располагается на магнитопроводе с числом витков w = 20 + 30. Токи фаз 1А> 1В и 1С создают в магнитопроводе соответст- вующие магнитные потоки ФА} ФВ) Ф^, которые, складываясь, образуют результирующий поток: — рез = $А + Ф0 + ^C- (9-16) Так как сумма токов 1А + 1В + 1С = 3/ , то можно сказать, что результирующий поток, создаваемый первичными токами 299
ТНП, пропорционален составляющей тока НП: Фрез’^Ч' (9Л7) Поток Фрез, а следовательно, вторичная ЭДС Е2 и вторич- ный ток I могут возникнуть только при условии, что сумма токов фаз не равна нулю, или, иначе говоря, когда фазные то- ки, проходящие через ТНП, содержат составляющую IQ. Поэто- му ток во вторичной цепи ТНП будет появляться только при замыкании на землю. В режиме нагрузки, трехфазного и двух- фазного КЗ (без замыкания на землю) сумма токов фаз 1А + + Is +1С = 0, и поэтому ток в реле отсутствует (Фрез s 0). Однако, поскольку из-за неодинакового расположения фаз А, В и С относительно вторичной обмотки ТНП коэффициенты взаимоиндукции этих фаз с вторичной обмоткой различны, несмотря на полную симметрию первичных токов, сумма их магнитных потоков в нормальном режиме не равна нулю. Появляется магнитный поток небаланса (Фрез = ФНб), вызы- вающий во вторичной обмотке ЭДС и ток /нб. Ток небаланса ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном филь- тре. Это объясняется тем, что в последнем суммируются вто- ричные токи, которые искажены погрешностью трансформа- ции (/Нам)> особенно проявляющейся при насыщении стали сердечника при токах КЗ, в то время как в ТНП трансформа- ция тока не вызывает небаланса. В ТНП суммируются магнито- движущие силы одновитковых первичных обмоток, сумма которых при междуфазных КЗ равна нулю. Ток 1нб во вторич- ной обмотке ТНП зависит только от несимметрии расположе- ния фаз первичного тока. Для получения наибольшей мощности от ТНП, а следова- тельно, и максимальной чувствительности реле, питающихся от ТНП, сопротивление обмотки реле Zp должно равняться сопротивлению ТНП. Пренебрегая сопротивлением вторич- ной обмотки Z2, согласно рис. 9.6, б получаем = 2нам; тогда условие отдачи максимальной мощности можно выра- зить равенством гр = г„ам- (9-18) Из эквивалентной схемы ТНП (рис. 9.6, б) видно, что при выполнении условия (9.18) вторичный ток, поступающий в реле, и ток намагничивания оказываются одинаковыми: 300
г = I Отсюда следует, что погрешность ТНП достигает *нам Р* _ _ примерно 50%. При столь большой погрешности нельзя вычис- лять вторичный ток по первичному, пользуясь коэффициен- том трансформации к] - w2/wl. Поэтому чувствительность защиты, включенной на ТНП, оценивается по значению пер- вичного тока, при котором обеспечивается действие защиты. В ряде случаев она должна быть на уровне долей одного ампера. При малых значениях 310 ТНП работает в начальной части характеристики намагничивания, при которой МДС, созданная одновитковым ТНП, очень мала. Таким образом, для обеспечения необходимой чувствительности, кроме кон- структивных улучшений ТНП, требуется применение высоко- чувствительных ИО. Для защиты линий ТНП выполняются только кабельного типа (ТЗ, ТЗЛ, ТФ). При необходимости осуществления РЗ воздушных ЛЭП делается кабельная вставка, на которой устанавливается ТНП. Для кабельных ЛЭП изготовляются ТНП типа ТЗ с неразъемным магнитопроводом, надеваемым на кабель до монтажа воронки, и типов ТЗР и ТФ с разъемным магнитопроводом, которые можно устанавливать на кабелях, находящихся в эксплуатации, без снятия кабельной воронки. При прохождении токов /бр по оболочке неповрежденного кабеля, охваченного ТНП, в реле РЗ появляется ток, от кото- рого РЗ может подействовать неправильно. Эти токи появля- ются при замыканиях на землю вблизи кабеля или при работе сварочных аппаратов. Для исключения ложной работы РЗ необходимо компенси- ровать влияние блуждающих токов, замыкающихся по свинцо- вой оболочке и броне кабеля. С этой целью воронка и оболоч- ка кабеля на участке от воронки до ТНП изолируются от зем- ли (рис. 9.6, в), а заземляющий провод присоединяется к во- ронке кабеля и пропускается через окно ТНП. При таком ис- полнении ток, проходящий по броне кабеля, возвращается по заземляющему проводу, поэтому магнитные потоки в маг- нитопроводе ТНП от токов в броне и проводе взаимно уничто- жаются. Магнитопровод ТНП должен быть надежно изолиро- ван от брони кабеля.
9.5. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Защита реагирует на составляющие НП полного естествен* ного емкостного тока, проходящего по фазам защищаемого присоединения при замыканиях на землю. Схема РЗ дана на рис. 9.7. Токовое реле КА служит измерительным органом РЗ, оно действует на сигнал через реле времени КТ. Срабатывание РЗ фиксируется указательным реле КН. Измерительный орган выполняется с помощью чувстви- тельного токового реле мгновенного действия; используются электромагнитное реле РТ-40/0,2 и более чувствительное реле, выполненное на транзисторах типа РТЗ-50. Защита с РТЗ-50 может срабатывать при первичном токе порядка 1-2 А. Высо- кая чувствительность этого реле обеспечивается с помощью двухкаскадного усилителя постоянного тока, включенного через промежуточный трансформатор и выпрямительный мост. Питание полупроводниковой схемы осуществляется либо от делителя напряжения 110/220 В постоянного тока, либо выпрямленным напряжением переменного тока. Ток срабаты- вания реле плавно регулируется в пределах 10-60 мА. Мощ- ность срабатывания реле около 12 мВ • А. Взамен РТЗ-50 ЧЭАЗ освоил выпуск реле типа РТЗ-51, вы- полненного на ИМС. Устройство реле РТЗ-51 поясняет функцио- нальная схема реле, изображенная на рис. 9.8. В соответствии со структурной схемой полупроводниковых реле тока ее мож- но подразделить на три функциональные части: восприни- мающую входной сигнал, преобразующую его и сравнивающую преобразованный сигнал с заданной уставкой. Воспринима- ющая часть (как обычно, в полупроводниковых реле) выполня- ется в виде промежуточного трансформатора тока ТА, замкну- того на резистор R2, параллепьно которому с помощью пере- ключателей SB1-SB5 можно подключить резисторы R3-R7, Рис. 9.7. Схема РЗ от замыканий на землю на кабельной линии: а — подключение токового реле к ТНП (TAN); б ~ цепи опе- ративного тока 302
рис. 9.8. Функциональная схема реле тока нулевой последовательности типа РТЗ-51 предназначенные для дискретного регулирования уставки то- ка срабатывания реле. Диоды VD1, VD2 ограничивают уровень входного сигнала. При замыкании на землю входной сигнал в виде тока 3IQ поступает в первичную обмотку трансформа- тора ТА и преобразуется в напряжение на зажимах резисто- ра R2 (им = IqTA^' Это напряжение поступает в преобразу- ющую часть, состоящую из частотного фильтра Ф и усилите- ля ДУ. Фильтр пропускает ток 50 Гц и запирает выход в схему сравнения токов высших гармоник, если они имеются в токе замыкания на землю (ЗГ). Усилитель А1 служит для повыше- 0 (D ния чувствительности реле к малым значениям тока 13 , на которые должно реагировать реле. В качестве усилителя А1 используется операционный усилитель (ОУ). Сигнал с выхода А1 поступает на схему сравнения, построенную аналогично типовому реле тока на ИМС (завода ЧЭАЗ), рассмотренному В гл. 2 и 4. Схема сравнения состоит из порогового элемента, выпол- ненного на операционном усилителе А2, времяизмерительной цепи (образованной из резисторов R15, R16, диода VD5 и кон- денсатора С8) и триггера Шмитта, построенного на операци- онном усилителе АЗ с положительной обратной связью. Выход- ной сигнал АЗ воздействует на исполнительный орган, функ- ции которого выполняет промежуточное реле KL, включенное в коллекторную цепь усилительного каскада на транзисто- ре VT1. Реле KL срабатывает при появлении положительного сигнала на выходе АЗ. зоз
В нормальном режиме, когда сигнал 310, поступающий на S вход реле ТА отсутствует или меньше порога срабатывания W компаратора А2, выходное напряжение операционного усили- теля А2 имеет положительный знак, под действием которого > конденсатор С8 заряжен и на его выходе устанавливается на- > пряжение того же знака (+). При этом выходное напряжение АЗ имеет отрицательную полярность, поэтому исполнитель- ный орган (VT1 и KL) не работает. При появлении воздействующего сигнала, превышающего опорное напряжение А2 (17вх > 17оп), операционный усилитель переключается, его выходное напряжение становится отрица- тельным, конденсатор перезаряжается и на входе АЗ появля- ется потенциал отрицательного знака. При этом на его выходе появляется напряжение положительного знака, что приводит к срабатыванию исполнительного органа. Реле РТЗ-51 имеет шесть диапазонов срабатывания по то- ку - от 0,02 до 0,12 А. Коэффициент возврата кв * 0,93. Потреб- ляемая мощность питания на постоянном токе - не более 10 Вт, на переменном токе - не более 5 В • А. Таким образом, это реле имеет высокую чувствительность и широко использу- ется в сетях, питающих торфоразработки и аналогичные уста- новки. t Селективность действия РЗ основана на различии абсолют- ных значений токов 3/0 в защищаемой ЛЭП при замыкании на ней и замыкании на землю внешнем (на других присоедине- ниях). Условия работы РЗ поясняет распределение токов 10 на рис. 9.9. Ток срабатывания РЗ каждой ЛЭП по условию селективности необходимо отстраивать от емкостного тока 3/0Л, проходящего по защищаемой ЛЭП при замыкании на землю на других при- соединениях, и от тока небаланса, появляющегося в ТНП при внешних междуфазных КЗ. Если емкость фазы защищаемой ЛЭП (например, W2 на рис. 9.4) равна CW2, то тогда при внешнем замыкании на землю установившийся ток в этой ЛЭП 3J0cw2 = ЗПф^С^. В переход- £ ном режиме, возникающем в начальный момент повреждения Л и при замыкании через перемежающуюся электрическую дугу, « возникают значительные броски емкостного тока во всех эле- я ментах сети, в 4-5 раз превышающие его установившееся зна- Я чение. С учетом этого первичный ток срабатывания по перво- Я 304
му условию ^с.з W2 ’ 3-^оз.л ' 3C^C0 з.д jv2 , (9.19) где СЭ'Л - емкость защищаемой ЛЭП; к6 - коэффициент, учи- тывающий бросок емкостного тока 1оС (в РЗ, работающей без выдержки времени, к6 = 4 4- 5, при наличии выдержки времени = 1 4- 2 в зависимости от значений t3); кн = 1,1 4- 1,2. По второму условию Мнбтох. <9-2°) Приближенно Цбтах = 1нбнагЛ ’ эдеСь *нбнаг ” ток 'наг Небаланса при токе нагрузки /наг, измеряется при наладке РЗ. Обычно на длинных ЛЭП, имеющих большую С, ток Iz 3, вы- бранный по (9.19), удовлетворяет условию (9.20). 305
При повреждении на защищаемой ЛЭП РЗ срабатывает при условии, что ток в поврежденной ЛЭП, определяемый д© (9-12), 3*0п.л > 31/фЮ(С0£ - Оо(С)Л). (9.21) Коэффициент чувствительности, равный отношению тока в поврежденной ЛЭП к 1СЭ> должен быть не менее 1,25-1 5. Вследствие сложности оценки вторичного тока ТНП по первич- ному, реле регулируется на заданный ток 1С 3 подачей тока в первичную цепь ТНП. Как уже отмечалось, токовая РЗ может применяться в некомпенсированных сетях при условии, что от шин подстанции отходит достаточное количество ЛЭП при котором С0£ » Сол. Токовая РЗ НП, выполненная по схеме на рис. 9.7, применяет- ся не только на кабельных, но и на воздушных ЛЭП 6-10 кВ. Рассмотренная защита используется в основном в сетях с изо- лированной нейтралью, где она реагирует на естественный ем- костный ток. В компенсированных сетях для действия токовой защиты может использоваться остаточный ток перекомпенса- ции или активная составляющая тока ДГР, или активный ток при заземлении сети через резистор R. 9.6. НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА В радиальных сетях, когда собственные емкостные токи от- дельных присоединений велики и соизмеримы с полным емкостным током сети, токовая защита неприменима. В этом случае имеется принципиальная возможность использовать направленные защиты, которые не требуется отстраивать от собственных емкостных токов защищаемой линии. Направленная защита состоит из одного реле мощно- сти, которое включается на ток и напряжение нулевой последо- вательности (рис. 9.9, а). В некомпенсированной сети защита реагирует на мощ- ность нулевой последовательности, создаваемую емкостным током линии. Как следует из токораспределения на рис. 9.4, направление тока, а следовательно, и мощности на поврежден- ной и неповрежденной линиях противоположны, и, следова- тельно, по знаку мощности направленное реле может опреде- лить поврежденную линию. 306
Учитывая, что емкостный ток 10 сдвинут относительно на- пряжения на 90°, реагирующее на применяют реле мощности синусного типа, Sp = 3Uo3Zosin(po. В сети, работающей с перекомпенсаиией емкостного тока, направленная защита неприменима, так как реактивный ток, протекающий в поврежденной линии, и емкостный ток в не- поврежденной линии имеют одинаковое направление. В перекомпенсированной сети реле мощности ис- пользуется в тех случаях, когда для действия защиты созда- ется активный ток искусственным путем. В этом случае долж- но применяться реле мощности косинусного типа. Для обеспечения селективности при ’’земле” в сети реле мощности направленной защиты должно отстраиваться от то- ка и напряжения небаланса, обусловленного нагрузкой, про- текающей по данной линии; этим условием ограничивается чувствительность защиты. Реле мощности должны иметь высокую чувствительность. При питании токовой обмотки реле от ТНП нужно учитывать большую угловую погрешность последнего. Для правильной работы направленной защиты требуется малая угловая погреш- ность измерительных трансформаторов и точность угловой характеристики реле. Возможно также использовать активную состав- ляющую тока замыкания на землю, которая обусловливает- ся активным сопротивлением дугогасящей катушки. Эта со- ставляющая невелика и достигает 3-5% тока катушки. Актив- ный ток катушки замыкается только по поврежденному при- соединению и на него должна реагировать защита. Защита выполняется с помощью реле мощности косинус- ного типа, реагирующего только на активную составляющую мощности нулевой последовательности. Промышленность изготовляет по разработкам ВНИИЭ реле направления мощности типа ЗЗП-1М, выполненное на тран- зисторах. Реле реагирует на реактивную составляющую мощ- ности; имеет три уставки срабатывания по току (0,07; 0,5; 2А) при номинальных значениях напряжений и ipM ч = 90°. Защита ЗЗП-1М состоит из следующих основных органов 1Рис. 9.9, в): согласующего устройства 1, усилителя перемен- 307
ного тока 2, фазочувствительного усилителя ОНМ 3, выход- ного реле 4 и блока питания 5. Блок питания типа БПН-Ц подключается к TH или ТСН подстанции (на рис. 9.9 не по- казано). На случай отказа РЗ или выключателя поврежденной ЛЭП из-за неисправности или из-за снижения суммарного емкостного тока при выводе одной или нескольких ВЛ на подстанции предусматривается дополнительно к линейным РЗ (ЗЗП-1М) резервная неселективная максимальная РЗ на- пряжения НП (реле KV2 на рис. 9.9, б), которая с выдержкой времени 0,5-0,7 с действует на отключение питающего транс- форматора (при этом должны запрещаться действия АПВ и АВР). В сети, работающей с перекомпенсацией емкостного тока (/дгр > 3/0с), как отмечалось выше, направленная РЗ синусно- го типа неприменима. Это реле также не может работать в сети с активным током замыкания на землю. ВНИИЭ разработана новая конструкция устройства, анало- гичного реле направления мощности типа ЗЗН, построенного на ИМС. В защите ЗЗН предусмотрена возможность регулиро- вания угла максимальной чувствительности, позволяющая ее использовать в качестве защиты, реагирующей на реактив- ный ток (фм ч = 90°), активный ток ((рм ч = 0) и на промежуточ- ное значение угла Фм.ч. В реле также предусмотрено автомати- ческое регулирование чувствительности реле и тестовый контроль. 9.7. ЗАЩИТА, РЕАГИРУЮЩАЯ НА ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ В установившемся режиме замыканий на землю емкостные токи повреждения и их составляющие НП содержат кроме тока основной частоты 50 Гц составляющие высших гармоник. В компенсированных сетях ДГР компенсирует только основную гармонику емкостного тока замыкания на землю 13 и 3/0 в поврежденной ЛЭП, высшие гармоники этих токов остаются нескомпенсированными. При этом, вследствие нелинейности характеристики намагничивания ДГР, индуктивный ток ре- актора /дгр сам содержит высшие гармоники, которые добав- ляются к гармоникам естественного емкостного тока в по- врежденной ЛЭП. 308
Таким образом, высшие гармоники в токе 13 и 10 имеют ме- сто как в некомпенсированной, так и компенсированной се- тях Высшие гармоники в токах 13 и 10 возникают из-за нали- чия гармоник в фазных напряжениях и напряжении Uo, под действием которых появляются эти токи. Искажения формы кривой напряжений вызываются падением напряжения в со- противлениях элементов системы от несинусоидальных токов намагничивания силовых трансформаторов сети и некоторых видов нагрузки, а также из-за наличия высших гармоник в ЭДС генераторов. Состав частот и амплитуды высших гармоник в токах могут изменяться при изменении конфигурации се- ти, состава работающих трансформаторов и несинусоидальной нагрузки. В реальных сетях содержание высших гармоник в токах 13 и /0 достигает 5-15% основной гармоники, а диапазон частот с заметным уровнем амплитуд находится в пределах от 150 до 650-1000 Гц. В §9.1 было показано, что токи 10 неповрежденных ЛЭП, идущие к месту замыкания (см. рис. 9.4), суммируются в по- врежденной ЛЭП. Вследствие этого и высшие гармоники тока 10 поврежденного присоединения равны сумме гармониче- ских токов 10 всех неповрежденных присоединений. К этой сумме в компенсированной сети добавляются гармоники то- ка ДГР. Благодаря этому количество гармоник и, что особенно важ- но, амплитуды и суммарный уровень гармонических состав- ляющих результирующего тока поврежденного присоедине- ния всегда больше, чем в каждом (отдельно взятом) непо- врежденном присоединении. Различие в уровне высших гар- моник тока 3/0 в поврежденной и неповрежденных ЛЭП ис- пользуется для выполнения селективных РЗ, реагирующих на высшие гармоники. На этом различии основаны три вида РЗ: одни - реагируют на абсолютное значение высших гар- моник 310 в каждом присоединении и сравнивают его с задан- ном значением тока срабатывания; вторые - производят срав- нение между собой уровней высших гармоник всех присоеди- нений и определяют поврежденное присоединение по наи- большему относительному значению уровня тока высших гармоник; третьи - устанавливаются на каждом присоедине- нии и значение проходящего по ним тока сравнивается с мо- делью присоединения, имеющего больший емкостный ток, чем ток защищаемого присоединения. 309
Рис. 9.10. Упрощенная схема устройства сигнализации УСЗ-2/2 Устройства сигнализации, реагирующие на высшие гармо- ники установившегося тока IQ, нашли широкое применение. На ЧЭАЗ по разработке ВНИИЭ выпускаются устройства ти- пов УСЗ-2/2 и УСЗ-ЗМ, предназначенные для сигнализации при замыканиях на землю в кабельных сетях 6 и 10 кВ как компенсированных, так и некомпенсированных. Индивиду- альное устройство УСЗ-2/2, реагирующее на абсолютное зна- чение, содержит согласующий трансформатор Т, входной ча- стотный фильтр L, С1, подавляющий составляющие промыш- ленной частоты и частоты более 2 кГц С3, выпрямительный мост VC и двухтранзисторный усилитель У с промежуточным реле К на выходе (рис. 9.10). Резисторы Rl, R12-R14 обеспечи- вают возможность выбора необходимых уставок тока срабаты- вания (25, 50, 100, 250 А). Срабатывание промежуточного реле сигнализируется с помощью тиратрона. Для отстройки от сво- бодных периодических составляющих переходного процесса внешнего замыкания на землю в схеме транзисторного усили- теля У предусмотрено замедление на 20-30 мс. Основной диапазон, в котором работает устройство УСЗ-2/2, 150-600 Гц. Для обеспечения селективности действия РЗ, реагирующая на абсолютное значение, должна отстраиваться от максималь- ного уровня высших гармоник своего присоединения при внеш- нем замыкании на землю и надежно срабатывать при мини- мальном уровне высших гармоник суммарного тока 3/Овг при повреждении на защищаемом присоединении. Устройства, реагирующие на абсолютное значение, в том числе и УСЗ-2/2, имеют существенный недостаток, так как требуют сложного учета и расчета гармоник на каждом при- соединении для разных режимов работы присоединений и подстанций. Уставки срабатывания таких защит трудно оце- 310
Рис. 9.11. Принципиальная схема устройства сигнализации УСЗ-ЗМ нить, что приводит к неправильным их действиям. Поэтому зашиты, построенные на относительном замере, обеспечива- ют более надежное определение поврежденного присоедине- ния (не надо знать абсолютное значение этих токов). Устройство УСЗ-ЗМ (рис. 9.11) выполняется в виде одного централизованного комплекта, поочере дно подключаемого к ТНП каждого присоединения (переключателем SA). Такое переключение может выполняться вручную дежурным пер- соналом или автоматически с помощью специальной схемы. При ручном переключении ИО устройства выполняется в ви- де измерительного прибора, который измеряет среднее значе- ние суммы высших гармоник тока 10 в каждом присоеди- нении. Принцип действия устройства УСЗ-ЗМ аналогичен принци- пу действия устройства УСЗ-2/2. Оно состоит из согласующего трансформатора Т, фильтра LC, настроенного на частоту резо- нанса 650 Гц, активно-емкостного фильтра R2-R5 и С1-СЗ, выпрямительного моста VC и электроизмерительного прибо- ра РА. Емкость С5 служит для отстройки от сигналов, имеющих частоту выше 1000 Гц. Резистор R7 обеспечивает плавную ре- гулировку чувствительности. Устройство, определяющее поврежденное присоединение по относительному значению контролируемой величины, не требует определения абсолютного значения уровня высших гармоник при замыкании на землю, так как его селективность основывается на сравнении токов присоединений. Это явля- ется преимуществом данного устройства, определяющим вы- сокую четкость выявления поврежденного участка. Недостат- ком устройства является обязательное участие персонала при измерении и оценке показаний прибора. Это затягивает поиск ЗП
поврежденного присоединения. Автоматическое устройство использующее принцип относительного замера типа КДЗС разработано и применяется в Мосэнерго. При замыкании оно автоматически производит поочередное переключение ИО РЗ к трансформаторам тока нулевой последовательности всех присоединений, выявляет ЛЭП с наибольшим значением выс- ших гармоник и передает с помощью устройства телемеханики информацию о поврежденном присоединении на диспетчер- ский пункт. Оба рассмотренных устройства РЗ, реагирующих на сумму высших гармоник установившихся токов НП, предназначены для компенсированных сетей, где токовые и направленные РЗ неприменимы. По принципу действия обе РЗ могут исполь- зоваться и в некомпенсированной сети. Для селективной рабо- ты обе РЗ отстраиваются от влияния токов высших гармоник неустановившегося режима, и поэтому они не могут фиксиро- вать кратковременных замыканий на землю. Во ВНИИЭ на микроэлектронной элементной базе выполне- но централизованное устройство сигнализации ПАУК, в кото- ром осуществляется сопоставление токов ВГ контролируемых присоединений с током моделируемого присоединения, при- веденная емкость которого с запасом превышает емкость каж- дого из них. При этом устройство ПАУК, Обеспечивая правиль- ное определение поврежденного присоединения из числа контролируемых, селективно работает при внешних замыка- ниях на землю на шинах питающей подстанции или на при- соединениях, не охваченных устройством контроля. В устройстве ПАУК предусмотрено автоматическое регули- рование чувствительности в зависимости от уровня ВГ тока при замыкании через переходное сопротивление. Устройства централизованного контроля (УСЗ-З, УСЗ-ЗМ, ПАУК и др.) позволяют определить лишь поврежденное при- соединение, в сети которого возникло замыкание, и дать на- правление дальнейшему поиску. Отыскание места однофаз- ного замыкания на ВЛ 6-35 кВ производится по показаниям приборов, установленных на элементах, питающихся от дан- ного присоединения, а если таковых нет, то вручную, с помощью переносных приборов ’’Поиск”, ’’Волна”, ’’Зонд”.
9.8. ЗАЩИТЫ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ТОКИ ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА Токи высокой частоты возникают во время переход- ного процесса в момент замыкания на землю. Их появление объясняется тем, что в начальный момент замыкания на зем- лю емкость заземлившейся фазы разряжается, а емкости двух других фаз дозаряжаются, поскольку напряжения на них относительно земли возрастают до междуфазного. Указанный процесс разряда и дозаряда емкостей фаз носит характер периодических токов с затухающими амплитудами (рис. 9.12). Частота колебаний и скорость их затухания определяются Т С и R зарядного и разрядного контуров. Расчеты и опыты показывают, что разрядный ток продолжается не более 0,01 с, имеет частоту порядка 1-5 кГц, а его максимальное значение (амплитуда первого периода) в десятки раз превосходит ампли- туду основной составляющей тока установившегося режима; время затухания зарядного тока достигает 0,015-0,25 с, частота находится в пределах 400—800 Гц, амплитуды значительно меньше, чем у зарядного тока. Различие в частотах объясняется тем, что токи разряда ,-Сразр и заряда *сзар проходят по разным контурам, имеющим разные индуктивности L, разрядный ток 1’сразр проходит толь- ко по проводам линий, минуя источники питания (генераторы, трансформаторы) (рис. 9.13). Токи за- ряда ic зар замыкаются через боль- шое индуктивное сопротивление об- моток источников питания, что при- водит к замедлению процесса зату- хания и уменьшает частоту токов. Рис. 9.12. Переходный процесс при замыкании на землю: ° - схема сети; б - кривая напряжений 170 и в начальный момент замыкания на землю; в — кривая изменения тока IQ в на- чальный момент повреждения о-ПЭ О?' 313
Рис. 9.13. Распределение переходных токов замыкания на землю С некоторым приближением считается, что отношение максимальных значений переходных токов к их установив- шимся значениям пропорционально отношению частот f пере- ~ ходного режима к рабочей частоте 50 Гц. Поэтому переходные « токи могут в десятки раз превосходить токи установившегося режима. На поврежденной линии переходный ток имеет поэтому максимальное значение. На неповрежденных линиях этот ток соответственно меньше, а его направление противополож- но направлению тока в поврежденной линии. В первом периоде переходного процесса (в его начальной стадии) преобладают токи разряда, во втором периоде (во второй стадии), после затухания тока разряда, остается раз- рядный ток с меньшими амплитудами и частотой, переходя- щий через 0,15-0,25 с в установившийся ток 13. Для выполне- ния РЗ используется первая стадия переходного процесса. Наличие ДГР в компенсированных сетях не влияет на харак- тер переходного процесса, так как индуктивность ДГР и транс- 1 форматора, к которому они подключаются, значительно больше индуктивности проводов ЛЭП, поэтому ток дугогасящего ре- актора нарастает очень медленно и появляется лишь после затухания токов разряда. I 314
реле тока, реагирующее на начальное значение (ампли- туду) переходного тока, должно выполняться быстродейст- вующим с tcp < 0,1 с. При больших значениях начальных ампли- туд защита может подключаться к трехтрансформаторному фильтру НП и к обычным ТНП на ток 3/0 через фильтр, про- пускающий в измерительный орган реле только токи ВЧ бо- лее 1000 - 2000 Гц. Селективность действия РЗ так же, как и у РЗ, реагирующих на высшие гармоники 3/0 установившегося режима, основана на использовании различия в значении и направлении переходного тока в поврежденном и неповреж- денном присоединении, с учетом того, что в поврежденной ЛЭП на участке между местом замыкания (точка К^) и сбор- ными шинами подстанции Р (место установки РЗ) ток равен сумме токов неповрежденных присоединений. По принципу действия РЗ могут выполняться реагирующими .на абсолютное значение тока в каждом присоединении или в виде устройства, сравнивающего между собой значения то- ков присоединений и определяющее по относительно больше- му току поврежденное присоединение. Защита, реагирующая на значение тока переходного режима, пока не нашла широ- кого применения, но в этой области ведутся разработки. Ивановским государственным энергетическим университе- том разработано и установлено в ряде энергосистем, для про- верки в эксплуатации, централизованное устройство селек- тивной сигнализации типа ЦНУЗЗ (’’Импульс”). Оно основано на использовании электрических величин переходного про- цесса, возникающих в момент пробоя изоляции на землю. В частности, осуществляется контроль мгновенной мощности нулевой последовательности. Большие исследования и разработка защиты, реагирующей на волновые процессы, были проведены в ЭНИН АН СССР им. Г. М. Кржижановского. Защита с импульсным РНИ, реагирующая на направление (знак) электромагнитной волны тока. Линии имеют распределенную емкость фаз относительно земли, в связи с этим и учетом очень высоких частот (малой Длины волны) токов, проходящих по линиям в первой стадии процесса, явления, происходящие в них в неустановившемся режиме, как и на длинных ЛЭП с распределенными парамет- рами, можно рассматривать с учетом возникающих при этом электромагнитных волн. 315
При таком рассмотрении ток разряда ipa3, возникающий в месте замыкания (в точке К на рис. 9.14), представляется Я в виде электромагнитной волны, распространяющейся в обе Я стороны от места повреждения по контуру фаза - земля. Я Одновременно с волной тока возникает волна напряже- Я ния и, связанная с током через волновое сопротивление выра- жением: i = u/z3. На рис. 9.14 показано направление pacnpo- W странения фронта обеих волн и и i (начальный участок). В со- > ответствии с ранее принятой условностью волны тока /0, при- л ходящие к шинам, считаются отрицательными (-), а уходящие- положительными (+). Волны напряжения [/0,как проходящая, | так и уходящая, считаются имеющими одинаковый знак (-). ; Из рис. 9.14 следует, что направление или знак мгновенно- I го тока и мгновенной мощности S = ui на фронте волны тока относительно шин А в поврежденной W1 и неповрежденной I W2 ЛЭП будут различными. Это означает, что с помощью реле, реагирующего на знак мощности, можно выполнить селективную РЗ, срабатывающую при положительном знаке +S на поврежденном присоедине- нии и недействующую при - S на неповрежденных присоедине- ниях. Измерительный орган такой РЗ должен выполняться с помощью быстродействующего реле направления мощности, способного подействовать от первого импульса мгновенной I, мощности S, пришедшего к месту установки РЗ 1 или 2 на f фронте волны тока и напряжения и запомнить его. Серийно выпускается и применяется в эксплуатации им- 1 пульсная РЗ типа ИЗС на ИМС, разработанная в ЭНИН. То- с ковые цепи устройства ИЗС могут подключаться к ТНП или к трехтрансформаторному фильтру. Последнее является до- стоинством устройства, поскольку позволяет не выполнять кабельную вставку для ВЛ 10-35 кВ. Цепи напряжения подво- 1 дятся от обмоток TH, соединенных в разомкнутый треуголь- ник (рис. 9.15, а). Устройство ИЗС состоит из пускового органа, реагирующего на появление напряжения НП при замыкании на землю; орга- на направления тока, контролирующего знак мощности на фронте волны в контуре фаза-земля; блока питания и указа- тельного реле. Устройство может действовать на сигнал или на отключение защищаемой ЛЭП. Защита ИЗС может приме- няться в радиальных и кольцевых сетях, а также при парал* 316
I Юкв Рис. 9.14. Знаки волн тока, напряжения и мгновенной мощности при замыкании на землю Рис. 9.15. Схема включения РЗ ИЗС (а) и поясняющие схемы ее работы при одно- фазных замыканиях на землю в сетях 10 кВ разной конфигурации (6, в): I- РЗ от междуфазных КЗ; П — РЗ ИЗС дельной работе двух или нескольких ЛЭП (рис. 9.15, б). Устрой- ства ИЗС включаются на обеих сторонах контролируемых ЛЭП таким образом, что они срабатывают на замыкание контактов при условно положительном направлении распространения волны (мощности) от места замыкания к шинам подстанций А и Б. При этом только на поврежденной ЛЭП знак мощности на обоих ее концах будет положительным и оба устройства ИЗС сработают (на рис. 9.15, б контакты ИЗС 1 и 2 показаны в замкнутом положении). На неповрежденных ЛЭП этой замкну- той сети контакты ИЗС замыкаются только на одной из сто- рон. По показаниям ИЗС можно однозначно определить, на какой из ЛЭП произошло однофазное замыкание на землю. При однофазном замыкании на И7! в радиальной сети (рис. 9.15, в) устройство ИЗС на подстанции А сработает (мощ- ность направлена к шинам), а на подстанции Б устройство ИЗС неповрежденной ЛЭП И72 не сработает (мощность направ- лена от шин). На неповрежденных ЛЭП W3 и W4 устройства ИЗС также не сработают.
Вопросы для самопроверки 1. Почему защита от замыканий на землю кабельной линии в общем случае выполняется с действием на сигнал? В каких случаях должна выполняться на отключение? 2. От чего зависит значение емкостного тока кабельной линии? 3. В чем преимущество кабельного трансформатора тока нулевой последовательности по сравнению с трехтрансформа* торным фильтром токов нулевой последовательности? 4. От какого тока по условиям селективности следует от* страивать защиту кабельной линии от замыканий на землю? 5. В чем преимущество устройства КДЗС для определения поврежденной линии? 6. В чем преимущество защит относительного замера? Глава десятая ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ 10.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ Для отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП без выдержки времени служат дифференциальные РЗ, которые подразделяются на продольные и поперечные. Принцип действия продольных дифференциальных РЗ основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемой ЛЭП. Как видно из рис. 10.1, а, при внешнем КЗ (в точке К) токи и /ц на концах ЛЭП АВ направлены в одну сторону и равны по значению, а при КЗ на защищаемой ЛЭП (рис. 10.1, б) они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя значение и фазу токов Д и 1ц, можно определять, где возникло КЗ - на защищаемой ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение то- ков по значению и фазе осуществляется в реагирующем орга- не (реле тока). Для этой цели вторичные обмотки ТТ TAI и ТАИ, установленных по концам защищаемой ЛЭП и имеющих одинаковые коэффициенты трансформации, при помощи соединительного кабеля подключаются к дифференциально- му реле КА (реагирующему органу) таким образом, чтобы при 318
KA Рис. 10.1, Принцип действия дифференциальной РЗ: токораспределение при КЗ: а — вне защищаемой ЛЭП; б - на защищаемой ЛЭП; е - ток небаланса 319
внешнем КЗ ток в реле был равен разности токов 1[в и 1цв, а при КЗ на ЛЭП их сумме JiB + 1пв. В нашей стране применяется схема дифференциальной РЗ с циркулирующими токами основанная на сравнении вторичных токов (рис. 10.1). Реаги- рующий орган - токовое реле КА включается параллельно вторичным обмоткам ТТ. При таком включении в случае внеш- него КЗ токи 4В и /цв замыкаются через обмотку КА и прохо- дят по ней в противоположном направлении (рис. 10.1, а). Ток в реле равен разности токов: 4 = -Лв = (10.1) При равенстве коэффициентов трансформации и отсутствии погрешностей в работе ТТ вторичные токи JiB = /цв, поступа- ющие в обмотку реле, балансируются, ток 1р = 0, и реле не сра- батывает. Таким образом, по принципу действия дифференциальная РЗ не реагирует на внешние КЗ, токи нагрузки и качания, поэтому она выполняется беэ выдержки времени и не должна отстраиваться от токов нагрузки и качаний. В действительно- сти же (см. §3.1 и 3.2) ТТ работают с погрешностью. Вслед- ствие этого в указанных режимах в реле появляется ток не- баланса: 1р = 1кб = 11в - Ilin- (10-2) Для исключения неселективной работы при внешних КЗ 4.3 дифференциальной РЗ должен превышать максимальное значение тока небаланса: 4.3 > 4б max • (10.3) При КЗ на защищаемой ЛЭП (рис. 10.1, б) первичные токи /] и направлены от шин подстанций в ЛЭП (к месту КЗ). При этом вторичные токи JjB и /11в суммируются в обмотке реле: j 4 = Zib + JllB = + 1ц/К1 = (10.4) j где 1К - полный ток КЗ, равный сумме токов 4 и /п, притека- j ющих к месту повреждения (к точке К). Под влиянием этого тока РЗ срабатывает. Выражение (10.4) показывает, что дифференциальная РЗ реагирует на полный ток КЗ в месте повреждения, и поэтому в сети с двусторонним 320
питанием она обладает большей чувствительностью, чем то- ковые РЗ, реагирующие на ток, проходящий только по одному концу ЛЭП. Зона действия РЗ охватывает участок ЛЭП, рас- положенный между ТТ, к которым подключено токовое реле. 10.2. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ Выразив в (10.2) вторичные токи через первичные, с учетом погрешности ТТ получим /ьб в реле: /нб = --I нам) — ~ III нам)1 (10.5) где /1нам и /и нам “ токи намагничивания, отнесенные ко вто- ричным обмоткам ТТ (ТАГ и ТАН). Так как при внешнем КЗ, сквозных токах нагрузки и качаний первичные токи в начале и конце ЛЭП одинаковы, /1 = 7д, (из 10.5) получим /нб = 111 нам нам- (10.5а) Это выражение показывает, что значение тока небаланса определяется различием значений токов намагничивания ТТ. Следователььно, для уменьшения тока небаланса необходи- мо выравнивать токи намагничивания liHaM и /цнам по значе- нию и фазе. Ток намагничивания ТТ (см. §3.2) зависит от маг- нитной индукции а также от вторичной ЭДС Ев ТТ (рис. 10.2, а). Из сопоставления характеристик 1 и 2 на рис. 10.2, а следует, что ток небаланса будет равен нулю при совпадении характеристик намагничивания 1 и 2 TAI и ТАИ (рис. 10.2, а) и равенстве вторичных ЭДС Ев в режиме сквозных токов. Ток небаланса возрастает с увеличением магнитной индукции В, которая, в свою очередь, повышается при увеличении первич- ного тока КЗ 1К и вторичной нагрузки ZH. Ток Ihq особенно воз- растает при работе в области насыщения ТТ, так как неболь- шое расхождение в их характеристиках намагничивания вы- зывает большое различие в токах намагничивания даже при одинаковых значениях вторичных ЭДС Ев (Вт) [см. рис. 10.2, а При Вт(Ев) в точке С]. Поэтому стремятся к тому, чтобы при максимальном токе внешнего КЗ магнитопроводы ТТ не на- сыщались и работали в линейной части характеристики. Ког- да различие их /нам невелико, погрешность ТТ с не превышает допустимых значений (10%). 321
Рис. 10.2. Характеристики намагничивания трансформаторов тока TAI и ТАЛ на рис. 10.1 и ток небаланса, обусловленный неидентичностью характеристик (а); характеристики намагничивания ТТ класса 0,5 и класса Д (б): 1 - вторичная ЭДС TAI EjB = /(/1нам^ 2 ~ вторичная ЭДС ТАИ Ецв = /(1цНам^ 3 — 7Hg - /(1цнам) ПРИ £1в = £Цв> * ~ характеристика ТТ класса 0,5; 5 — характе- ристика ТТ класса Р Для выполнения этого условия применяются ТТ, насыща- ющиеся при возможно больших значениях Ев. Этому требова- нию наилучшим образом удовлетворяют ТТ класса Р, специ- ально изготовляемые для дифференциальных РЗ (рис. 10.2, б). Принимаются также меры для ограничения значения Ев, от которого зависит значение магнитной индукции Вт, а сле- довательно, /нам- Чтобы избежать насыщения и увеличения /нб, необходимо иметь Ев< Енас (рис. 10.2, а), поскольку Ев = 1B(ZB +ZH) = -^(ZB + ZH), (10.6) где ZB и ZH - сопротивления вторичной обмотки ТТ и подклю- ченной к ней нагрузки. Как было показано в (8.3), при заданном значении тока /к и Енас необходимо уменьшать нагрузку ZH ТТ и увеличивать коэффициент трансформации Kj. Кроме того, при однотипных ТТ для выравнивания токов /[нам и Al нам необходимо выравни- вать нагрузку обмоток ТТ, т. е. обеспечивать условие ZjH - 322
== 2ц и, ПРИ КОТ°РОМ £1в = ^Пв В схеме с циркуляцией токов на- грузку каждого ТТ составляет сопротивление соединительных проводов от зажимов ТТ до ИО тока. Входное сопротивление ИО не учитывается, так как при внешних КЗ и других сквозных токах ток в нем отсутствует. Допустимые значения ZlH и 2ц и» при которых ТТ работают в линейной части характеристики намагничивания, выбираются по кривым предельной кратно- сти, обеспечивающим погрешность ТТ не более 10%. Такой режим работы ТТ и уровни небаланса могут быть обеспечены при соблюдении указанных выше условий в установившемся режиме КЗ. В переходном режиме /нам ТТ может во много раз превосхо- дить значения установившегося режима, что влечет за собой резкое увеличение 7Kg. Токи намагничивания и небаланса в переходном режиме КЗ. При внезапном КЗ возникает переходный процесс, во время которого в токе КЗ 1К (рис. 10.3) кроме вынужденной периоди- ческой составляющей /кп = - 90°) появляется свобод- ная апериодическая составляющая /к а = -Ime~t/T1. Время зату- хания ее зависит от постоянной времени первичной цепи, по которой проходит первичный ток, = L/R, но не превышает долей секунды. В начальный момент iK а = - »к п. 323
Рис. 10.4. Схема замещения ТТ и распределение периодической и апериодиче- ской составляющих тока КЗ между ветвями намагничивания и вторичной об- мотки (а) и кривые тока намагничивания и его составляющих (б) Каждая составляющая тока КЗ 1К, проходящего по первич- ной обмотке ТТ, делится на две части: одна часть (iK>a и tKn) трансформируется во вторичную обмотку ТТ, а вторая - боль- шая идет на намагничивание магнитопровода, образуя ток 1Нам» как показано стрелками на схеме замещения ТТ (рис. 10.4). Из рис. 10.3 ясно, что скорость изменения (di/dt) апериодической составляющей iK а значительно меньше ско- рости изменения переменной составляющей iK>n. Поэтому ток 1К а плохо трансформируется во вторичную цепь и большая его часть 4.нам иДет на намагничивание магнитопровода, что ухуд- шает трансформацию /к>п и увеличивает его часть, поступа- ющую в ветвь намагничивания. Из сказанного следует, что основной причиной, ухудшающей работу ТТ в переходном ре- жиме, является появление апериодической составляющей в токе КЗ, приводящее к насыщению магнитопровода и резкому увеличению тока намагничивания. Дополнительное ухудшение работы ТТ вносит внезапное появление в замкнутом контуре цепи намагничивания и вто- ричной обмотки токов /п нам и /а>нам (кривые 2 и 3), обусловлен- ных составляющими тока КЗ /к п и 1К а. Так как во вторичной цепи ТТ, содержащей индуктивности LHaM, LB, LH (Хнам, Хв, Хн)> ток изменяться скачком не может, то в начальный момент 324
»м*млл***- Рис. 10.5. Ток небаланса в реле при внешних КЗ: а - ток КЗ; б - разложение 1нб на периодическую и апериодическую состав- ляющие: /п.нб = ^п.намП “Лт.намВ ^а.нб = ^а.нам II “ ^а.нам! в) t = 0 в ветви намагничивания и во вторичной обмотке возни- кают свободные апериодические токи /св п (кривая 4) и /свв (кривая 5), компенсирующие в первый момент времени вынуж- денные составляющие 1П нам и 1а.нам соответственно. Свободные токи замыкаются в контуре, образованном вет- вями намагничивания и вторичной обмотки ТТ и затухают с постоянной времени Т2 = (LHaM + LB + LM)/(RB + Ян). Кривая 6 представляет результирующий апериодический ток /а1Нам.рез = = Айнам + ^св.п - 4в.а- Суммируя мгновенные значения кривых 6 и 2, получаем результирующее значение полного тока 2нам ТТ (кривая 2). Асимметричный характер изменений 2нам в неустановившемся режиме определяется наличием апериоди- ческой составляющей в 1К. Затухание результирующей аперио- дической составляющей /а.нам.рез происходит медленнее, чем затухание вызвавшего его апериодического тока КЗ 1к.а и ^а.нам, так как постоянная времени цепей ТТ Т2 Tt. В резуль- тате переходный процесс во вторичной цепи проходит дольше, чем в первичной, где появляется и проходит ток КЗ 1К. Резкое увеличение токов /нам трансформаторов тока и их разности при- водит к резкому увеличению значения тока небаланса в не- установившемся режиме. Кривая тока небаланса имеет две характерные особенности (рис. 10.5, а, б). Во-первых, 2нб дости- гает наибольшего значения не в момент максимума первич- 325
ного тока 1К, а несколько позже и затухает медленнее тока /к. Во-вторых, кривая 1нб имеет явно выраженный асимметрич- ный характер, означающий, что ток небаланса содержит апе- риодическую составляющую Ха.нб- Эта составляющая, явля- ющаяся следствием тока /а нам, в основном определяет продол- жительность затухания небаланса, его максимальное значе- ние и отставание последнего во времени от максимума 1К. В этом можно убедиться, разложив кривую 1Нб на ее составля- ющие, как это показано на рис. 10.5, б. Таким образом, возник- новение КЗ сопровождается переходным процессом как в пер- вичной, так и во вторичной цепи ТТ, появляющиеся при этом апериодические свободные токи ухудшают работу ТТ, вызы- вая повышенное намагничивание их магнитопровода. В ре- зультате этого в дифференциальной РЗ во время переходного периода возникают повышенные токи небаланса. Для приближенной оценки влияния апериодической со- ставляющей тока КЗ в неустановившемся режиме при выбо- ре ТТ вводится коэффициент к&, с учетом которого Красч = _ , /к max . Для быстродействующих РЗ (с t = 0,1 с) принимают 7ном ТТ /са = 2, для РЗ с t = 0,1 - 0,3 с /са = 1,5 и при t = 1 с к& = 1. Сущест- венное влияние на увеличение тока небаланса оказывает так- же остаточное намагничивание магнитопровода ТТ. Трансформатор тока остается в намагниченном состоянии, если проходящий через него ток прерывается (отключается) в момент времени, когда он и создаваемый им магнитный по- ток не равны нулю. В этом случае в сердечнике ТТ остается магнитный поток Фост, который был в нем в момент отключе- ния тока. Если при последующем КЗ остаточный поток Фост совпадает по знаку с магнитным потоком Фкз, обусловленным током КЗ (особенно его апериодической составляющей), то об- разуется результирующий поток, равный их сумме Фост + Фк- Этот поток может достигать весьма большого значения и вызы- вать насыщение магнитопровода, в результате чего резко возрастает /нам и, как следствие, увеличивается /нб-
10.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ В основе всех схем дифференциальных РЗ лежат общие прин- ципы, учитывающие особенности работы этих РЗ на ЛЭП. 1. Трансформаторы тока дифференциальной РЗ, устанавли- ваемые на концах защищаемой ЛЭП, находятся на значитель- ном расстоянии друг от друга. Поэтому связывающие их соеди- нительные провода имеют большое сопротивление, во много раз превышающее предельно допустимые нагрузки ТТ. Напри- мер, медный соединительный провод сечением 1,5 мм на ЛЭП длиной 10 км имеет К = 130 Ом, в то время как допустимая на- грузка ТТ составляет 1-3 Ом (25-75 В • А). Для снижения нагрузки на ТТ до допустимых значений при- меняются понизительные промежуточные трансформаторы то- ка TL (рис. 10.6,6). Они уменьшают значение тока в соедини- тельных проводах в KfL раз и снижают благодаря этому нагруз- ку соединительных проводов, приведенную к зажимам основ- ных ТТ в Kfa раз, поскольку нагрузка ТТ пропорциональна I^R. Выполняя промежуточные ТТ насыщающимися, можно сни- зить нагрузку на ТТ за счет ограничения тока в соединитель- ных проводах при работе промежуточных ТТ в области насы- щения, когда его вторичный ток остается практически неиз- менным при увеличении первичного тока сверх 1тнас. Поведе- ние РЗ после глубокого насыщения зависит только от фаз срав- 327
Рис. 10.7. Схема продольной дифференциальной РЗ с установкой реле на обоих концах защищаемой ЛЭП ниваемых токов в начале и конце ЛЭП, которые при внешнем КЗ отличаются незначительно. 2. Дифференциальная РЗ должна воздействовать на отклю- чение выключателей на обоих концах защищаемой ЛЭП. Для осуществления этого устанавливаются два дифференциальных репе 1 и 2 - по одному на каждом конце ЛЭП (рис. 10.7). Каждое из этих реле действует на свой выключатель. Введение в схе- му второго, параллельно включенного реле вносит следующие изменения в условия работы РЗ: а) ток, поступающий от TAI и ТАИ, распределяется между ближним и дальним реле обратно пропорционально сопротив- лениям их цепей (рис. 10.7). В контуре дальнего реле участвуют соединительные провода, а поэтому ток, направляющийся в дальнее реле, меньше, чем ток, поступающий в реле, располо- женное вблизи данных ТТ. В результате этого токи, поступа- ющие в реле, не балансируются, и поэтому при внешнем КЗ даже при работе ТТ без погрешностей в реле 1 появляется до- полнительный ток небаланса Гр1 = J] - Гц “ ТНб pi» а в реле 2 1р2 - = Ju - Ji ~ Значение Г^б пропорционально току КЗ, для уменьшения его необходимо уменьшать сопротивление соеди- нительных проводов У каждой РЗ в зависимости от ее чув- ствительности имеется предельно допустимое значение Znp. При превышении его РЗ работает неправильно от возросших Гнб» б) при КЗ в зоне и схеме с одним реле в последнее поступает сумма токов ТТ Jp = J + 1ц = 1К, а в схеме с двумя реле в каждое 328
из них попадает только часть вторичного тока от ТА1 и TAIL Если сопротивление проводов равно нулю, то ток в каждом из двух реле 7р = 7j/2 + /ц/2 = 7к/2, т. е. в 2 раза меньше, чем в схеме с одним реле. Вследствие этого чувствительность РЗ уменьша- ется. 3. Токи небаланса в дифференциальных РЗ ЛЭП при внеш- них КЗ могут достигать значительных величин. Для отстройки от /нб получили распространение дифференциальные реле с торможением. 10.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕЛЕ С ТОРМОЖЕНИЕМ Реле с торможением, в отличие от простого дифференциаль- ного токового реле, выполняется таким образом, чтобы его ток срабатывания возрастал при увеличении тока внешнего КЗ согласно выражению 1С.Р - WBH.K- (Ю.7) Принцип действия дифференциальной РЗ и реле с торможе- нием (ДЗТ) поясняется схемами на рис. 10.8. Реле с торможени- ем имеет два элемента: рабочий Р и тормозной Т. Рабочий эле- мент включен через промежуточный трансформатор TLP по дифференциальной схеме, так же как и простое токовое реле в схемах, приведенных ранее. Ток, протекающий по рабочему элементу, называется рабочим 7р: при внешнем КЗ этот ток ра- вен разности, а при КЗ в зоне - сумме вторичных токов и 1цв- Тормозной элемент включается в рассечку соединительных проводов на ток 7^ или 1цв. Ток, питающий тормозной элемент реле, препятствует срабатыванию реле и называется тормоз- ным 1Т. При внешнем КЗ или качаниях 7Т = 7ВН,К. Реле приходит в действие, если 7р > кт7т. Следовательно, рабочий ток, необ- ходимый для срабатывания реле: 4.Р = Мт = Мвн- (10.8) Коэффициент fcT называется коэффициентом торможения, он характеризует степень загрубления реле под действием 7Т. Обычно кт = 0,3 * 0,6: Мт > 7Нб иЛи Мт = Мп^нб • (Ю.9) 329
Характеристика срабатывания ДЗТ приведена на рис. 10.8, в. При внешнем КЗ /р = Дв - /цв = /нб, /т = /к. При выполнении условия селективности (10.9) Ip < kTIT и реле не срабатывает. При КЗ в зоне РЗ /р = /KjB + /к11в. Так как при этом /р > кт/т, Реле срабатывает и отключает поврежденную ЛЭП. 330
10.5. ПОЛНАЯ СХЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ Во всех рассмотренных схемах подразумевалась установка еле на трех фазах в тех случаях, когда РЗ должна реагировать на все виды КЗ. Для выполнения таких схем необходимо шесть дифференциальных реле и не менее четырех соединительных проводов. Для уменьшения числа реле и соединительных про- водов реле включаются через фильтры симметричных состав- ляющих или суммирующие трансформаторы, как показано на принципиальной схеме (рис. 10.9). Помимо уже рассмотренных элементов в этой схеме преду- смотрены разделительные (изолирующие) трансформаторы TI, с помощью которых цепь соединительного кабеля АВ отделя- ется от цепей реле. Такое разделение исключает появление в цепях реле высоких напряжений, наведенных в жилах кабе- ля при протекании токов КЗ по защищаемой ЛЭП или возни- кающих в них по любым другим причинам. На практике получили распространение РЗ с комбинирован- ными фильтрами прямой и обратной последовательностей или прямой и нулевой последовательностей. Ток (или напря- жение) на выходе таких фильтров пропорционален + к12 или + kIQ. Составляющая прямой последовательности имеется при всех видах КЗ. Слагающая к12 возникает при не- Рис. 10.9. Полная принципиальная схема односистемной продольной диффе- ренциальной РЗ ЛЭП 331
симметричных повреждениях (двух- и однофазных) и позволя- ет повысить чувствительность РЗ, увеличивая ток в реле. То же самое достигается с помощью слагающей к!0, но только при КЗ на землю. 10.6. УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ПРОВОДОВ Повреждения проводов. Повреждение соединительных про- водов может вызвать неправильную работу дифференциаль- ной РЗ. Возможны обрывы проводов, КЗ между ними и замыка- ния на землю одного из проводов. При обрыве соединительного провода (рис. 10.10, а) весь ток, поступающий от ТТ, замыкается через рабочие обмотки дифференциальных реле. Ток в тормозной Т и рабочей Р об- мотках реле становится одинаковым, вследствие чего реле мо- жет сработать при нормальной нагрузке или внешнем КЗ. Замыкание между соединительными проводами (рис. 10.10, б) шунтирует рабочие обмотки реле, благодаря чему РЗ может не подействовать и отказать в работе при КЗ в зоне. Замыкание на землю не нарушает токораспределения и не угрожает по- этому непосредственной опасностью неправильного действия или отказа РЗ. Однако если в жилах соединительного кабеля появляется ЭДС, наведенная токами вблизи расположенных ЛЭП, то создаются условия для ложной работы РЗ в режиме на- грузки или внешнего КЗ. Устройство контроля. Для повышения надежности РЗ ее снабжают устройствами, контролирующими исправное состоя- ние соединительных проводов. Устройство контроля может автоматически выводить РЗ из действия, разрывая ее цепь от- ключения при повреждении соединительных проводов, или подавать сигнал о неисправности. Получило распространение устройство контроля, основан- ное на наложении на рабочий ток, протекающий в соединитель- ных проводах РЗ, непрерывно циркулирующего контрольного постоянного тока. Принцип выполнения устройства показан на рис. 10.10, в. К соединительным проводам А и В подводится контрольное напряжение от выпрямителя VS1, который пита- ется от ТСН подстанции. Для создания контура контрольного тока вторичные обмотки изолирующих трансформаторов TAL 332
Рис. 10.10. Контроль соединительных проводов односистемной дифференци- альной РЗ: а — обрыв соединительных проводов; б — КЗ между соединительными про- водами; в — схема контроля; г — схема замещения на обоих концах ЛЭП, состоящие из двух секций, соединяются через конденсатор СЗ, который пропускает переменный ток, но запирает путь постоянному току контроля. Ток контроля 1К, поступающий от выпрямителя VS1, замыкается через обмот- ку реле KL1, провод А, реле KL2, провод В и возвращается в выпрямитель, как показано стрелками на рис. 10.10, в. Ток контроля не трансформируется в первичные обмотки трансфор- маторов TAL и поэтому не влияет на работу РЗ. Под действием этого тока якоря реле KL1 и KL2 подтянуты. При обрыве соединительного провода ток контроля исчеза- ет, и реле срабатывают, подавая сигнал и разрывая оперативную цепь РЗ. ззз
При замыкании между проводами А и В обмотка реле KL2 шунтируется. Ток 7К в реле KL2 исчезает, и реле срабатывает подавая сигнал о неисправности и выключая РЗ на своем конце ЛЭП. Такое действие контроля допустимо, поскольку при воз- никновении КЗ между соединительными проводами автомати- ческое отключение ЛЭП не требуется. Обычно нормальное значение тока 1К = 5 * 6 мА, а напряжение UK = 80 В. Для сигнализации о замыкании на землю в соединитель- ных проводах предусматривается второй выпрямитель VS2, Он подключается одним полюсом к соединительным прово- дам, а вторым - к земле, через заземляющий дроссель L. При отсутствии замыкания на землю цепь реле KL3 разомк- нута и оно не работает. В случае нарушения изоляции относи- тельно земли одногс из проводов под действием напряжения U2 возникает искусственный ток замыкания на землю 73, ко- торый проходит через реле KL3, место повреждения и возвра- щается в выпрямитель VS2 через землю и дроссель L. Реле KL3 срабатывает и дает сигнал. В качестве реле KL1-KL3 ис- пользуются поляризованные реле типа РП-7. Соединительные провода. Связь между комплектами РЗ, расположенными по концам защищаемой ЛЭП, осуществляет- ся с помощью бронированного кабеля, прокладываемого по трассе, обеспечивающей его сохранность. В целях удешевле- ния обычно применяется многожильный кордельный телефон- ный кабель типов ТЗБ, ТБ и ТЗСБ, используемый одновремен- но для телефонной связи и телемеханики. Для обеспечения правильной работы РЗ жилы кабеля должны иметь возможно меньшее сопротивление и небольшую емкость. Первое необ- ходимо для ограничения 7нб, обусловливаемых влиянием со- противления соединительных проводов (см. §10.4), а второе - для повышения чувствительности РЗ, так как емкость между жилами и на землю шунтирует рабочую обмотку дифференци- ального реле и уменьшает поступающий в нее ток при КЗ на защищаемой ЛЭП (рис. 10.10, г).
10.7. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИИ ТИПА ДЗЛ Схема ДЗЛ (рис. 10.11) построена по такому же принципу, как и схема РЗ, изображенная на рис. 10.9. Она основана на сравнении значения и фазы токов + к12 на концах защища- емой ЛЭП. Защита состоит из двух полукомплектов, установ- ленных на каждой стороне ЛЭП и соединенных с помощью двух жил соединительного кабеля. В каждый полукомплект ДЗЛ (рис. 10.11) входят следующие компоненты: комбинированный фильтр 1 (Ix + к12), промежуточный трансформатор 2 со стабили- затором напряжения 3, дифференциальное реле с торможе- нием 4, состоящее из поляризованного реле КА и питающих его выпрямителей 5 и 6, промежуточное и указательное реле (на схеме не показаны), изолирующий трансформатор 7 (на рис. 10.10, в трансформатор TAL). Комбинированный активно-индуктивный фильтр + к12 (рис. 10.12) состоит из трансреактора TAV и резисторов R1 и R2. Трансреактор имеет две первичные обмотки w1 и wQ) одну вторичную w2. Обмотка питается током фазы В /в, а и>0 - - 310. Обмотки включены на питающий ток разной полярностью, Рис. 10.11. Принципиальная схема защиты ДЗЛ 335
Рис. 10.12. Комбинированный фильтр защиты ДЗЛ + kl2 так что ЭДС трансреактора Ет пропорциональна разности маг- нитодвижущих сил: wJb - w03/0. Число витков w0 = 1/Зк,. Обозначая сопротивления взаимной индукции между обмот- ками Wj и w2 через Хф и учитывая, что ЭДС, индуцированная токами 1в и 3/0, отстает от них по фазе на 90°, получаем £т = ]Хф!в ~ УуХф310. (10.10) Стальной сердечник TAV выполнен с воздушным зазором и не насыщается при вторичных токах КЗ от 0 до 200 А. Это позво- ляет обеспечить необходимое для правильной работы фильтра постоянство Хф и строгую пропорциональность между токами, питающими трансреактор, и его вторичной ЭДС Ет. Резистор R1 включен в цепь тока a R2 - в цепь тока 1с- Значения сопротивлений этих резисторов одинаковы: = R2 = *ф. Как следует из схемы фильтра, Еф = £ + IARt -IcR2. (10.11) Заменив Е7 выражением (10.10), получим х* Еф =}1вхф + (1а ~1с)Еф + (10.12) Если допустить, что рассматриваемый фильтр питается то- ками прямой последовательности, то согласно (10.12): Еф = 1Хф1В1 + (Iai -1с1)Яф- 336
Из диаграммы фильтра на рис. 10.13, а следует, что Iai -Ici = с учетом этого Еф = Аф/вх “11в1Кф’/з = Лв/Хф - Яф/З). Принимая Хф -ЯфУ? = кх, получаем Еф1 = 1Мфг (10.13) При питании фильтра токами 12 напряжение на вы- ходе фильтра Еф2 с учетом диаграммы на рис. 10.13, б: £фа ~ ^Хф/вз + (Хаз ~2сг)^ф = /Хф/вг + №ф'/^1В2 ~ = Ява(Хф + УзКф). Принимая Хф + >/зКф = к2, получаем Ефз = ik2lB2- (10.14) Если к фильтру подводятся токи 10 (рис. 10.13,6), тона основании (10.11) £фо =УХф1в0 -ХуХфЗ/0 + (1Ао-1Сй)Кф. (Ю.15) Учитывая, что IAo =IBq = [Со, получаем Ефо = 0. Полная ЭДС на выходе фильтра, выраженная через симмет- ричные составляющие: —Ф = £ф1 + £фз 4" £фо = AiXbi + А2/в2. 337
Вынося за скобку /сг и заменяя k2/kt на получаем £ф = + ^в2)- (10.16) Значение и знак к зависят от Хф и R&. В этом нетрудно убе- диться, если заменить кг и к2 их выражением через Хф и Аф, тогда ^2 -^ф + '/з'^ф *1 Хф - '/зЯф ' (10.17) В защите типа ДЗЛ принято, что Хф < /з'^ф, благодаря этому коэффициент к согласно (10.17) имеет отрицательный знак. Отрицательное к позволяет получить лучшую чувствитель- ность РЗ (т. е. больше £ф) при двухфазном КЗ на землю, чем в случае, когда к положительно. Таким образом, при отрицатель- ном к в защите типа ДЗЛ-2 происходит сравнение фаз токов по концам линии Д - к12. Промежуточный трансформатор TL (рис. 10.14) является пони- жающим ТТ. Вторичная обмотка трансформатора имеет две секции. От одной питается РЗ, а от второй газонаполненные стабилизаторы VD1 и VD2 (рис. 10.14, а). Коэффициент транс- формации секции TL, питающей реле, KTL = 1г/12. При опреде- - ленном напряжении (около 110 В) на вторичной стороне TL стабилитроны зажигаются. В результате скачкообразно возрас- тает нагрузка трансформатора, дальнейшее увеличение вто- ричного напряжения U2 и тока 12 прекращается (рис. 10.14,6). Промежуточный трансформатор в сочетании со стабилизатором ограничивает: напряжение на выпрямителях и соединительных проводах до допустимого для них значения при токах КЗ; ток небаланса в дифференциальном реле, поскольку при больших токах после зажигания стабилитронов ток, поступающий в дифференциальное реле 4 (см. рис. 10.11), остается неизмен- ным (в этих условиях работа РЗ зависит практически только от фазы сравниваемых токов в начале и конце ЛЭП); нагруз- ку на ТТ. При малых токах (пока не сказывается влияние ста- билитронов) нагрузка уменьшается в раз. После зажигания , стабилитронов рост тока в соединительных проводах прекра- щается, перестает также расти мощность, потребляемая соеди- нительными проводами I^cn- & J 338
Рис. 10.14. Промежуточный трансформатор: а - схема; б - характеристики: 1 — при отсутствии стабилизатора; 2 - при на- личии стабилизатора Дифференциальное реле. В качестве дифференциального реле 4 применено поляризованное реле, питающееся выпрям- ленным током. Выпрямитель тормозной обмотки 5 (см. рис. 10.11) питается током насыщающегося трансформатора. Выпрямитель рабочей обмотки 6 включен дифференциально, т. е. на разницу токов в начале и конце ЛЭП. Конденсатор С1 сглаживает пульсацию выпрямленного то- ка, питающего рабочую обмотку реле, устраняя вибрацию его контактов. В конструкции реле 4 не предусматривается при- способление для регулировки токов срабатывания и коэффи- циента торможения. При отсутствии торможения 1с р = 2,5 мА. Время действия реле равно 0,04 с. Промежуточное выходное реле имеет шунтовую обмотку, в которую подается ток при срабатывании РЗ, и дополнитель- ную обмотку, включаемую последовательно с катушкой отклю- чения выключателя, для удержания реле в сработанном состоя- нии до отключения выключателя. Время действия реле 0,02 с. Изолирующий трансформатор 7(см. рис. 10.11) выполняет две Функции: отделяет цепь реле от соединительных проводов, на которых могут возникать повышенные напряжения, наво- димые извне; уменьшает ток в соединительных проводах, что- бы дополнительно снизить нагрузку от них на ТТ. Коэффици- ент трансформации трансформатора 7 равен 3. Для уменьшения погрешности, вносимой изолирующими трансформаторами при внешнем КЗ, и уменьшения отсоса в Них при КЗ в зоне параллельно первичной обмотки изолирую- щего трансформатора включен конденсатор С2. Его ток ком- 339
пенсирует 7нам трансформатора 7. Конденсатор СЗ емкостью 10 мФ необходим для выполнения устройства контроля исправ- ности соединительных проводов. Устройство контроля выполняется по рис. 10.10. Защита ДЗЛ-2 выпускается либо для РЗ одной ЛЭП 110-220 кВ (панели ЭПЗ 1638-73/1 и ЭПЗ 1639-73/1), либо для РЗ двух ЛЭП (панели ЭПЗ 1638-73/2, ЭПЗ 1630-73/2). Панели ЭПЗ 1638-73/1 оснащены дополнительно устройствами контроля соедини- тельных проводов. Ток срабатывания РЗ. В ДЗЛ предусмотрены три ответвления на обмотке фильтра (см. рис. 10.12), с помощью которых мож- но получить три уставки тока срабатывания, условно выража- емые в относительных единицах коэффициентом h, имеющим три значения: 1; 1,5 и 2. Ток срабатывания h равен 1, когда вклю- чены все витки обмотки и^. Одновременно с изменением чис- ла витков предусматривается пропорциональное изменение значений сопротивления и R2 так, чтобы изменение Хф не влияло на коэффициент к. Регулирование к осуществляется изменением сопротивле- ний и R2 (независимо от Wj), при этом Хф остается неизмен- ным. Предусмотрены четыре значения к (-4, -6, -8, -10). Ток срабатывания РЗ при одном и том же значении к зависит от вида КЗ и поврежденных фаз. Согласно заводским данным, ток срабатывания РЗ на входе фильтра при h = 1, к = -4 и одно- стороннем питании КЗ на фазе В равен 3,8 А. Значения 1СЗ для других значений h и к определяются по выражению 4.з = (10.18) где 1/п берется из данных завода-изготовителя. Выбор уставок РЗ сводится к выбору коэффициентов, по ко- торым определяется 1сз, а затем находится коэффициент чув- ствительности при IKmjn при повреждениях на ЛЭП. Коэффици- ент к выбирается так, чтобы при несимметричных КЗ состав- ляющая к12 преобладала над 1х, обеспечивая значение Еф» достаточное для действия РЗ: к = (10.1’) ^2В где кн - коэффициент надежности, учитывающий погрешности в определении 71В. возможна®
За расчетный режим при определении к принимается двух- фазное КЗ на землю на защищаемой ЛЭП. КоэфФиииент h выбирается из условия, чтобы магнитодви- жушая сила Ibwi не вызывала насыщения трансреактора. Если вторичный ток 1ктах < 100 А, то h = 1. При 1к > 100, но меньше 150 A h = 1,5. При 1К = 150 A, h = 2. Вторичный ток срабатывания РЗ при одностороннем питании КЗ для разных его видов вычисляется по (10.18). 10.8. ОЦЕНКА ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ Основными достоинствами защиты являются: быстродейст- вие, простота и надежность схемы и конструкции измеритель- ного органа. Защита не реагирует на качания и перегрузки, действует при КЗ в любой точке ЛЭП. К недостаткам РЗ следует отнести вы- сокую стоимость соединительного кабеля и работ по его про- кладке, а также возможность ложной работы при повреждении соединительных проводов. При наличии автоматического конт- роля повреждения кабеля обнаруживаются своевременно, и случаи ложной работы РЗ по этой причине редки. Защита по- лучила распространение в качестве основной на ЛЭП ПО и 220 кВ длиной до 10-15 км. Для расширения области применения и повышения надеж- ности вместо соединительного кабеля предполагается исполь- зовать оптоволоконный канал связи. 10.9. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ Поперечные дифференциальные РЗ применяются на парал- лельных ЛЭП, имеющих одинаковое сопротивление, и основа- ны на сравнении значений и фаз токов, протекающих по обеим ЛЭП. Благодаря равенству сопротивлений ЛЭП в нормальном режиме и при внешнем КЗ токи в них равны по значению и фазе Ui в/ц) (рис. 10.15). В случае КЗ на одной из ЛЭП равенство то- ков нарушается. На питающем конце ЛЭП А токи Д и 1ц совпа- дают по фазе, но различаются по значению, а на приемном В - противоположны по фазе, что следует из токораспределения, 341
приведенного на рис. 10,15 б. Таким образом, нарушение равен- ства токов в параллельных ЛЭП по значению или фазе являет- ся признаком повреждения одной из них. Поперечные диффе- ренциальные РЗ применяются двух видов: на параллельных ЛЭП, включенных под один общий выключатель - токовая поперечная дифференциальная РЗ; на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями - направленная попереч- ная дифференциальная РЗ [2]. 10.10. ТОКОВАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА Принципы действия защиты. Токовая поперечная дифферен- циальная РЗ предназначена для параллельных ЛЭП с общим выключателем. При одностороннем питании параллельных ЛЭП РЗ устанавливается только со стороны источника пита- ния, а в сети с двусторонним питанием - с обеих сторон парал- лельных ЛЭП. Схема РЗ для одной фазы изображена на рис. 10.16. На одно- именных фазах каждой ЛЭП устанавливаются ТТ с одинако- вым коэффициентом трансформации Кд - Кщ - Kj. Вторичные обмотки трансформаторов тока I и II соединяются разноименны- ми зажимами по схеме с циркуляцией токов в соединительных проводах, и параллельно к ним включается обмотка токового реле 1. Из токораспределения, приведенного на рис. 10.16 для нормального режима, внешнего КЗ и качаний, видно, что ток в реле - т т II /ц - 1в I - 1в II = — - — К] К] (10.20) 342
Рис. 10.16. Принцип действия токовой поперечной дифференциальной РЗ: а — режим нагрузки и внешнего КЗ; б — режим КЗ на и>/ В этих режимах 1[ = 1ц, поэтому при отсутствии погрешностей ТТ 1р = 0, и РЗ не работает. Следовательно, по своему принци- пу действия рассматриваемая РЗ не реагирует на внешние КЗ и нагрузку. Поэтому ее выполняют без выдержки времени и не отстраивают от токов нагрузки. В действительности в реле протекает ток небаланса /Нб> вызванный погрешностью ТТ г г" 1Нб и некоторым различием первичных токов 1Нб = -------, Ki обусловленным неточным равенством сопротивлений ЛЭП. Ток срабатывания реле 1ср должен быть больше максималь- ного тока небаланса: Jc.p > (/нб + Йб)- (Ю-21) В случае повреждения одной из параллельных ЛЭП, напри- мер W1 (рис. 10.16, 6), ток Ii в поврежденной ЛЭП становится больше тока во второй ЛЭП > 1ц), и в реле появляется ток 343
(10.22) J При токе в реле 1р > 1с р РЗ действует и отключает общий S выключатель обеих ЛЭП. ш Мертвая эона защиты. По мере удаления точки КЗ от места w установки РЗ (рис. 10.17) соотношение токов /[ и 1ц по повреж- э денной и неповрежденной ЛЭП изменяется. Эти токи направ- 1 ляются к точке К по двум параллельным ветвям и распреде- « ляются по ним обратно пропорционально их сопротивлениям и Zn: где Zl = Zn-ZBK) a Zn=-Z„ + ZBK. При перемещении точки К в сторону подстанции В сопро- тивление Z[ возрастает, a 2ц снижается, соответственно этому Ij уменьшается, 1И увеличивается, а ток в реле РЗ /р = /[ - постепенно понижается и при КЗ на шинах В становится рав- ным нулю (рис. 10.17,6). В результате этого, при повреждениях на некотором участке вблизи подстанции В (рис. 10.17, а, б) ток /р оказывается меньше тока срабатывания РЗ /сэ, и она перестает работать. Границей действия РЗ является точка КЗ, * отстоящая от шин противоположной подстанции В на расстоя- j;. ние т, где /р = 1С Э (рис. 10.17, 6). Таким образом, РЗ, реагиру- ющая на разность токов параллельных ЛЭП I) - 1ц, не может - охватить своей зоной действия защищаемые ЛЭП полностью. Участок ЛЭП вблизи шин противоположной подстанции, при КЗ в пределах которого ток в реле недостаточен для его сраба- тывания, называется мертвой зоной РЗ. Наличие мертвой зоны является недостатком поперечной дифференциальной РЗ. Для отключения КЗ в мертвой зоне требуется дополнитель- ная РЗ. Длина мертвой зоны т определяется на основе следующих соображений. Токи по WI и WII (рис. 10.17) обратно пропорцио- нальны сопротивлениям или длинам ветвей от шин, где уста- новлена РЗ, до точки КЗ. При КЗ на границе мертвой зоны в точке М ///ц = (/ + т)/(/ - т), где / - длина ЛЭП. Преобразуя это выражение, находим m(Ii + 7И) = /(А - АО* Учитывая, что /j + /ц = 1К и что при КЗ на границе мертвой эоны ток в реле равен - /ц = /с 3, получаем mIK = Пс э, откуда длина .£ 344
рис 10.И- Мертвая зона токовой по- перечной дифференциальной РЗ: 2^ и ;л - сопротивление и длина ДЭП; и ZBK ~ сопротивления оТ шин А и В до точки КЗ мертвой зоны т = ——I. (10.23) Ас Для упрощения расчета мертвой зоны ток 1К определяется при КЗ на шинах противоположной подстанции, а не на границе мертвой зоны. Защиту принято считать эффективной, если мертвая зона ее не превосходит 10%. При отключении одной из параллельных ЛЭП поперечная дифференциальная защи- та должна выводиться из действия. Схема защиты. В сетях с малым током замыкания на землю (т. е. с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР) РЗ выполняется на двух фазах. В сетях с глухозаземленной нейтралью РЗ устанавливается на трех фазах. В этом случае ТТ на каждой ЛЭП соединяются по схеме полной звезды с ну- левым проводом. Для отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП устанавливается отключающее устройство (SX на рис. 10.18). В дополнение к отключающему устройству можно предусматривать автоматическое отключение РЗ вспо- могательными контактами SQ1 и SQ2 на разъединителях. Оценка зашиты. Токовая поперечная дифференциальная РЗ относится к числу простых и надежных устройств, важным достоинством ее является быстродействие. Недостатком РЗ являются наличие мертвой зоны и необходимость отключения РЗ при отключении одной из параллельных ЛЭП. Кроме попе- речной дифференциальной РЗ на параллельных ЛЭП необхо- 345
КА1 1 От дополни - тельной. РЗ Рис. 10.18. Схема цепей оперативного тока поперечной дифференциальной Я токовой РЗ Ж димо предусматривать дополнительную РЗ, действующую при V КЗ на шинах противоположной подстанции, в мертвой зоне, а также при выводе из работы одной ЛЭП. 2 10.11. НАПРАВЛЕННАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАШИТА Принцип действия. Направленная поперечная дифферен- J циальная РЗ применяется на параллельных ЛЭП с самостоя- | тельными выключателями на каждой ЛЭП (рис. 10.19). К РЗ | таких ЛЭП предъявляется требование отключать только ту | из двух ЛЭП, которая повредилась. Для выполнения этого тре- I бования токовая поперечная дифференциальная РЗ дополня- ется РНМ двустороннего действия (рис. 10.19) или двумя РНМ j одностороннего действия, каждое из которых предназначено j для отключения одной ЛЭП. Принципиальная схема одной фазы дана на рис. 10.19. Токовые цепи РЗ выполняются так же, как и у токовой поперечной дифференциальной РЗ. Токовые обмотки РНМ KW и токового реле КА соединяются последова- тельно и включаются параллельно вторичным обмоткам ТТ на разность токов параллельных ЛЭП: /р = Ij - /ц. Токовые реле выполняют функции пусковых органов, реагирующих на КЗ и разрешающих РЗ действовать. РНМ служит для определения поврежденной ЛЭП по знаку мощности. Напряжение к реле подводится от TH шин подстанции. Оперативный ток к РЗ по- дается через вспомогательные контакты выключателей. При срабатывании КА плюс постоянного тока подводится к контактам KW, которое замыкает верхний или нижний кон- такт, в зависимости от того, какая из двух ЛЭП повреждена. 346 .
Рис. 10.19. Упрощенная схема и принцип действия направленной поперечной дифференциальной РЗ параллельных ЛЭП: а - первичная схема и цепи тока; б - цепи напряжения; в — оперативные цепи Для отключения поврежденной ЛЭП РЗ устанавливается с обеих сторон параллельных ЛЭП. Внешние КЗ. При внешних КЗ, нагрузке и качаниях первич- ные токи и равны по значению и совпадают по направлению на обоих концах ЛЭП. При равенстве Кд и К1и и идеальной ра- боте ТТ /р = /1в - /цв = 0- При внешних КЗ, нагрузке и качаниях РЗ не действует. Вследствие погрешности ТТ и неравенства сопротивлений параллельных ЛЭП Ji в и /ц в различаются по зна- чению и фазе, в результате чего в реле появляется ток неба- ланса /р = 7нб. Для исключения работы РЗ при внешних КЗ ее ток срабатывания должен удовлетворять условию: IC3 > Короткое замыкание на одной из параллельных ЛЭП (WI и WH). На питающем конце (ПС А) в случае повреждения на W7 или WI1 первичные токи Ц и имеют одинаковое направление (рис. 10.20). При этом токи и различаются по значению: в поврежденной ЛЭП ток всегда больше, так как сопротивле- ние от ПС А до точки К для тока в поврежденной ЛЭП всегда меньше, чем в неповрежденной. В результате 1р - 1[в - /пв * 0, а его знак и направление зависят от того, какая ЛЭП повреж- дена. На приемном конце (ПС В) первичные токи и имеют противоположное направление: на поврежденной ЛЭП ток идет от шин ПС В, а на неповрежденной - к шинам (рис. 10.20). В со- ответствии с этим Ip = Ji в +/и в- 347
циальной РЗ при КЗ: а - на WI; б -на WI1 Из рис. 10.21 видно, что 1р будет изменять направление в за- висимости от того, какая ЛЭП повреждена. Как и в предыду- щем случае, будет совпадать по направлению с током в по- врежденной ЛЭП. На рис. 10.21 приведены векторные диаграммы, поясняющие действие РНМ при повреждениях на WI и WII. Поскольку ток в поляризующей цепи РНМ, питаемой от TH шин, имеет оди- наковое направление при КЗ на обеих ЛЭП, все диаграммы построены относительно вектора £7р, предполагаемо совпа- дающим с вектором соответствующего первичного напряже- ния. Векторы вторичных токов приняты положительными, когда ток втекает в зажим токового элемента реле KW, обо- значенный точкой (рис. 10.20). Вектор тока в реле при этом от- •' стает от вектора на фр = фк. При КЗ на WI (фр < 90°) замы**’ j 348
8) рис. 10.21. Векторные диаграммы С/р и 1р на реле мощности: а — при КЗ на WI, на^питающем конце; б - то же на приемном конце; в — при КЗ на WII, на питающем конце; г—то же на приемном конце ется контакт KW.1 (рис. 10.19, а) в цепи отключения поврежден- ной ЛЭП WI, а при КЗ на WII (tpp > 180°) замыкается KW.2 (рис. 10.19, в) в цепи отключения поврежденной линии WII. Таким образом, при КЗ на одной из параллельных ЛЭП под действием тока 1р срабатывают пусковые реле РЗ, подводя опе- ративный ток к контактам РНМ. Последнее по знаку Sp опре- деляет поврежденную ЛЭП и замыкает цепь отключения ее выключателя. Автоматическая блокировка выводит из действия РЗ при отключении по любой причине выключателей одной из парал- лельных ЛЭП на стороне, где установлена РЗ. Для этого опера- тивная цепь РЗ заводится через вспомогательные контакты SQ1 и SQ2 выключателей Q1 и Q2 параллельных ЛЭП (рис. 10.19). В современных схемах вместо вспомогательных контактов ис- пользуются реле-повторители выключателей, сигнализирующие их положение ’’Включено”. Блокировка действия РЗ необхо- дима для предупреждения и неправильной работы ее в двух случаях: 1) если при КЗ на параллельной ЛЭП, например WI (рис. 10.20), выключатель этой ЛЭП Q1 отключается раньше выключателя Q3, то реле мощности РЗ подстанции А под дей- ствием тока КЗ, проходящего к месту повреждения на разрешит РЗ подстанции А отключить неповрежденную ли- нию WII\ 2) при отключении одной из параллельных ЛЭП РЗ превраща- ется в МТЗ мгновенного действия и может работать ложно при внешних КЗ. В обоих случаях ложные действия РЗ исключаются с по- мощью рассмотренной блокировки. Однако если во втором слу- 349
чае РЗ отключается только на противоположном конце, то автоматическая блокировка РЗ, установленной на стороне, где выключатель остается в работе, не подействует. Поэтому для исключения ложной работы этой РЗ ее необходимо отклю- чать вручную с помощью отключающего устройства SX (см. рис. 10.19, в). Зона каскадного действия. В § 10.10 было показано, что раз- ница токов в параллельных ЛЭП и уменьшается при удале- нии точки КЗ от места установки РЗ (см. рис. 10.17, б). В ре- зультате этого каждый комплект направленной поперечной дифференциальной РЗ, так же и токовой дифференциальной РЗ, имеет зону m (см. рис. 10.17), при КЗ в пределах которой ток 1р < 1С э, вследствие чего этот комплект РЗ не может срабо- тать. Однако после отключения поврежденной ЛЭП с противо- положной стороны не работавшая до этого РЗ приходит в дей- ствие и отключает поврежденную ЛЭП. Так, например, при КЗ на ИТ в точке К вблизи шин подстанции В РЗ А не работает, так как 7р < 1с>3. После отключения поврежденной линии WI со стороны подстанции В (где ток 7р достаточен для надежного действия поперечной дифференциальной РЗ В) весь 1К напра- вится от подстанции А к месту повреждения К по И7!. В этом случае = 7К, 1ц = 0, а ток в пусковых реле РЗ А резко возрастет и станет больше 7С 3. Пусковые реле РЗ А сработают, РНМ вы- берет поврежденную линию WI, и РЗ подействует на ее отклю- чение. Такое поочередное действие РЗ называется кас- кадным, а зоны гад и тв, в пределах которых соответству-. ющие РЗ действуют каскадно, зоной каскадного действия (рис. 10.22). Зона каскадного действия определяется по (10.23). При каскадном действии полное время отключения КЗ удваи- вается, что является недостатком РЗ. Мертвая зона по напряжению. При трехфазном КЗ вблизи места установки РЗ остаточное напряжение 17р, подводимое к РНМ, очень мало (см. рис. 7.6). При этом РНМ может отказать. Таким образом, направленная поперечная дифференциальная РЗ имеет мертвую зону по напряжению. Мертвая зона невели- ка, она определяется расчетом (см. § 7.7). Работа защиты при обрыве провода ЛЭП с односторонним за- землением. Протекание токов КЗ при этом виде повреждения показано на рис. 10.23. Направленная поперечная дифферен- циальная релейная защита А под действием тока 1К[ + 1кц> совпадающего по направлению с током в поврежденной ЛЭП 350
Рис 10 22. Зоны каскадного действия направленной поперечной дифференци- альной РЗ Рис. 10.23. Схема, поясняющая возможность неправильного действия направ- ленной поперечной дифференциальной РЗ при обрыве одного провода с одно- сторонним заземлением 1VZ, отключит поврежденную ЛЭП. Одновременно от тока в ЛЭП WII /кц сработает РЗ В и неправильно отключит неповреж- денную ЛЭП WIL Опыт эксплуатации показывает, что рассмот- ренный вид повреждения бывает редко, поэтому специальных мер к исключению неправильной работы РЗ не применяют. Схемы направленной поперечной дифференциальной защи- ты выполняются с учетом следующих положений: в сети с изо- лированной нейтралью в двухфазном исполнении от между- фазных КЗ и от двойных замыканий на землю; в сети с глухо- заземленной нейтралью двумя комплектами - в двухфазном исполнении от междуфазных КЗ и нулевой последовательно- сти от КЗ на землю; РЗ выполняется без выдержки времени, На рис. 10.24 приведена схема поперечной дифференциаль- ной токовой направленной РЗ для параллельных ЛЭП в сети с 351
Рис. 10.24. Схема поперечной направленной дифференциальной РЗ для сетей с изолированной нейтралью: а - первичная схема; б - цепи тока; в — цепи напряжения; г — цепи опера- тивного тока изолированной нейтралью. Пусковые токовые органы КА.А и КА.С включены на разность токов соответствующих фаз ЛЭП WI и WII. В качестве РНМ используются реле KWA и KWC дву- стороннего действия типа РБМ-271, имеющие рабочую харак- теристику Мвр = kl/plpcos((Pp + 45е). Контакт KWA.l (KWC.1) замыкается при КЗ на W1, когда Sp на зажимах KW имеет поло- жительный знак, а контакт KWA.2 (KWC.2) - когда повредится WII (при отрицательном знаке Sp). При использовании РНМ одностороннего действия типа РМ-11 на каждую фазу устанав- ливается по два реле. В схеме предусмотрено два выходных промежуточных реле KL1 и KL2, действующие на отключение WI и WII. Плюс пода- ется на оперативные цепи РЗ контактами KQC1.1 и KQC2.1 352
ле положения ’’Включено” KQC выключателей Q1 и Q2 ЛЭП ^7 и WIZ, чем обеспечивается автоматическая блокировка РЗ при отключении одного из выключателей. Заметим, что при использовании показанной на рис. 10.24 схемы вывода РЗ из действия для надежного отключения поврежденной ЛЭП в схеме управления обязательно требуется запоминание отклю- чающей команды. В качестве выходных реле в схеме на рис. 10.25 используются промежуточные реле типа РП-251 или РП-253 (KL1 и KL2), имеющие небольшое замедление на срабатывание, что предот- вращает действие защиты при срабатывании трубчатых разряд- ников. Срабатывание в этом случае указательных реле КН1 и КН2 исключается благодаря шунтированию их обмоток раз- мыкающими контактами выходных промежуточных реле KL1.2, KL2.2. На рис. 10.25 приведена схема поперечной токо- вой направленной дифференциальной РЗ для параллельных ЛЭП 110-220 кВ в сети с заземленной нейтралью. Схема состоит из двух комп- лектов: одного - для действия при междуфазных КЗ, второ- го - от КЗ на землю. Комплект РЗ от междуфазных КЗ выпол- няется так же, как и в предыдущей схеме РЗ на рис. 10.24, по двухфазной схеме с двумя пусковыми реле КАД и КАС и дву- мя реле направления мощности KWA и KWC. Комплект РЗ от КЗ на землю реагирует на токи и напряжения нулевой последова- тельности и включает пусковые реле - тока КАО, включенное на разность токов НП параллельных ЛЭП, и напряжения KVO, подключенное к обмоткам TH, соединенным в разомкнутый треугольник, представляющий собой фильтр напряжения НП; РНМ, включенное на разность токов НП и напряжение НП. Реле KW0 реагирует на мощность: Sp = (VplpSin((₽p + 20°), здесь Up = 3U0- 1р = 310. Пуск комплекта РЗ от КЗ на землю осуществляется после- довательно включенными замыкающими контактами реле KA(?j и KV0.1. Дополнение схемы контактами реле напряже- ния НП позволяет не отстраивать 1С Э от тока небаланса, прохо- дящего в обмотке КАО при междуфазных КЗ на защищаемых » и благодаря этому повысить чувствительность комплек- 353
Рис. 10.25. Схема поперечной направленной дифференциальной РЗ для сетей с заземленной нейтралью: а — первичная схема; б — цепи тока; в — цепи напряжения; г — цепи опера- тивного тока
В схеме на рис. 10.25 предусмотрено выведение из действия комплекта РЗ от междуфазных КЗ при КЗ на землю на защи- щаемых ЛЭП. Это необходимо в связи с тем, что блокируемый комплект может действовать в неповрежденных фазах от токов неповрежденной ЛЭП при каскадном отключении КЗ на землю со стороны, противоположной месту установки рас- сматриваемого комплекта РЗ, что могло бы привести к непра- вильному (ложному) отключению неповрежденной ЛЭП. Вывод из действия комплекта от междуфазных КЗ осуществ- ляется размыкающими контактами реле КА0.2 и KV0.2. До- полнительно в цепь блокировки включен также размыкающий контакт KL3.2 выходного промежуточного реле KL3, что повы- шает надежность защиты на несрабатывание при каскадном отключении КЗ На землю на одной из параллельных ЛЭП. В рассматриваемой схеме выведение РЗ из действия при отключении выключателя одной из ЛЭП осуществляется раз- рывом цепи обмотки каждого выходного промежуточного ре- ле KL1 и KL2 контактами реле положения ’’Включено” выклю- чателя параллельной ЛЭП (KQC1.1 и KQC2.1 соответственно). Такое выполнение схемы взамен последовательного включе- ния контактов KQC1.1 и KQC2.1 в цепи подведения к РЗ ’’плю- са” оперативного постоянного тока принято в предположении наличия на подстанции (электростанции) устройства резерви- рования при отказе выключателей - УРОВ (см. гл. 21) в слу- чае, когда в его цепях не предусматривается удерживание сиг- нала от РЗ на определенное время. Указанное выполнение схемы необходимо для обеспечения подачи длительного сиг- нала на пуск УРОВ от выходного промежуточного реле РЗ параллельных ЛЭП при КЗ на одной из них и отказе ее выклю- чателя. Выбор уставок направленной поперечной дифференциаль- ной защиты, включенной на фазные токи (см. рис. 10.19). Ток срабатывания пусковых реле РЗ должен удовлетворять четырем требованиям: 1) пусковые реле не должны действовать от тока небалан- са 1н5, возникающего при КЗ на шинах противоположной под- станции: (10.24) гае ктс = 1,5+ 2; 355
Рис. 10.26. Токораспределение в РЗ при каскадном отключении поврежденной ЛЭП с учетом токов нагрузки 2) пусковые реле должны быть отстроены от суммарного тока нагрузки тах параллельных ЛЭП для предотвращения ложного действия РЗ в случае отключения одной из ЛЭП с противоположной стороны в нормальном режиме (рис. 10.26, а): 4.3 =Wh (10.25) 3) пусковые реле должны отстраиваться от токов в непо- врежденных фазах ^еПф при двухфазных и однофазных КЗ: 'с.з = '‘озЛеп.ф. <10-26) Где 4еп.ф = А, + Ч- Токи в неповрежденных фазах (В и С) влияют на работу РЗ при каскадном отключении поврежденной ЛЭП (рис. 10.26, б), так как в этом режиме они текут только по одной оставшейся 356
в работе линии WII. При пофазном пуске РЗ неселективное отключение ЛЭП в рассматриваемом случае исключается; 4) пусковые реле должны надежно возвращаться при мак- симальной нагрузке параллельных ЛЭП. Условия возврата обеспечиваются, если = _ *от</н™_у_, (10.27) V.3 кв где / - суммарный максимальный ток нагрузки параллель- ных ЛЭП. Ток срабатывания, выбранный по четвертому условию, обыч- но удовлетворяет всем остальным требованиям. Поэтому ра- счет /сз ведется по (10.27) и проверяется по (10.24) и (10.25). Ток небаланса поперечной дифференциальной РЗ принима- ется равным арифметической сумме тока небаланса /нб, обус- ловленного погрешностью ТТ, и тока небаланса /Нб, вызванно- го неравенством сопротивлений параллельных ЛЭП. При вы- боре уставок по (10.24) необходимо исходить из максимально- го значения суммарного тока небаланса ^нб max ~ ^нб max + ^нб max • (10.27а) Для уменьшения 1нб ТТ, питающие РЗ, выбираются по кри- вым предельной кратности или 10%-ной погрешности при мак- симальном значении тока внешнего КЗ на шинах противопо- ложной подстанции, текущего по каждой параллельной ЛЭП Дс max - Расчетная кратность тока . Wk max ~ г 5 ‘ном ТТ (10.28) где ка - коэффициент, учитывающий влияние апериодиче- ской слагающей тока КЗ, принимается равным 2. Согласно [2], рекомендуется оценивать приближенное зна- чение IHg по выражению г' _ , . к тох 4нб max ~~ ^одн 0,1ка-------- , kI (10.29) Где max - максимальный ток при трехфазном КЗ на шинах подстанций А и В, проходящий по одной из параллельной ЛЭП при работе обеих; 0,1 - погрешность ТТ, равная 10%; кодн - 357
Рис. 10.27. Расчетные схемы для проверки чувствительности диффе- ренциальной РЗ: а - при каскадном отключении поврежденной ЛЭП; б - при КЗ в точке равной чувствительности коэффициент однотипности, принимаемый при однотипных ТТ и одинаковых сопротивлениях плеч равным 0,5; ка = 1,5 + 2. Вторую составляющую тока небаланса 1^6 можно оценивать по формуле ; AZ%ka7Kmax ,, 1н6тох ~ 100К; , (10.30) Z] - где AZ% = ——-------100 - разница в процентах между сопро- Z1 тивлениями прямой последовательности обеих ЛЭП; /к тах - максимальное значение суммарного тока КЗ (по обеим ЛЭП при повреждении на шинах противоположной подстанции). Обычно сопротивления ЛЭП одинаковы и = 0. Чувствительность защиты характеризуется зоной каскад- ного действия РЗ, коэффициентом чувствительности пуско- вых реле и мертвой зоной по напряжению. Зона каскадного действия подсчитывается для РЗ на каждом конце параллельных ЛЭП по (10.23) и не должна превышать 25% длины ЛЭП. Чувствительность пусковых реле проверяется, для двух случаев: а) при КЗ в точке К1 на границе зоны каскадного действия РЗ А (рис. 10.27, а) после отключения поврежденной ЛЭП с противоположной стороны В < = JpKl/k.3, (10.31) 358
где J Ki ~ минимальный ток в реле; в этих условиях рекомен- дуется иметь кч > 1,5; б) в случае установки поперечных дифференциальных РЗ с обеих сторон ЛЭП (рис. 10.27, б) определяется при повреж- дении в точке равной чувствительности обеих РЗ, которая на- ходится из условия /рД = W /с.зА 4.3 В (10.32) где /р а и /р в - токи в реле РЗ Л и В при КЗ в точке К2. Если обозначить расстояние от РЗ В до точки К2 через 1g, то приравнивая падение напряжения в параллельных ветвях от подстанции В до точки К2 по контуру линий И7/ и WII и учи- тывая (10.31), получаем 4.3 А 4.з А + 4.эВ (10.33) Определив местоположение точки К2, рассчитываем токи КЗ и токи в реле РЗ А и В, после чего находим . „ 4л(к) 1рВ(к) кч =------------ ---------- 4.э А 4.3 В (10.34) Рекомендуется иметь кч > 2. Мертвую зону по напряжению определяют на основании соображений, изложенных в §7.7, исходя из чувствительности РНМ. Выбор уставок поперечной дифференциальной токовой направленной защиты нулевой последовательности. Ток сра- батывания токового реле НП выбирается по выражению 4.з, нп = ^н^нб max • (10.35) Ток небаланса подсчитывается по (10.29) и (10.30). Расчет 416 ведется при одно- или двухфазных КЗ на землю на шинах противоположной подстанции по наибольшему току 1К. Напряжение срабатывания реле напряжения НП принима- ется равным 5-10 В. Ток срабатывания токового реле НП при наличии в схеме РЗ реле напряжения НП отстраивается только от тока небаланса при внешних КЗ. Благодаря этому чувстви- тельность пускового органа повышается. 359
10.12. ОЦЕНКА НАПРАВЛЕННЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ Положительными особенностями РЗ являются простота схемы, меньшая стоимость по сравнению с продольной диф. ференциальной РЗ, отсутствие выдержки времени, нереагиро- вание на качания, простота выбора параметров. К недостаткам РЗ нужно отнести каскадное действие, вы- зывающее замедленное отключение КЗ в зоне каскадного действия, мертвую зону по напряжению, необходимость вы- вода из действия РЗ при отключении одной ЛЭП, в связи с чем требуется дополнительная полноценная РЗ для оставшей- ся в работе ЛЭП; неправильную работу РЗ при обрыве провода ЛЭП с односторонним заземлением. Защита применяется в сетях 110-220 кВ как дополнитель- ная к основной быстродействующей защите. В сетях 6-10 кВ эта защита используется как основная, ускоряющая отклю- чение повреждения. Вопросы для самопроверки 1. Почему дифференциальная защита выполняется без вы- держки времени? 2. Чем опасен обрыв соединительного провода в плече диф- ференциальной защиты? 3. Каковы причины, вызывающие ток небаланса в реле в нормальном режиме и при внешнем КЗ? 4. Как выполнить схему направленной поперечной диффе- ренциальной защиты при отсутствии специального реле на- правления мощности двустороннего действия? 5. В чем недостаток каскадного действия защиты? 6. Почему наличие блокировки по напряжению повышает чувствительность направленной поперечной дифференциаль- ной защиты?
Глава одиннадцатая ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА 11.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные МТЗ (НТЗ) не могут обеспе- чить селективного отключения КЗ. Так, например, при КЗ на IV2 (рис. П.1) НТЗ 3 должна подействовать быстрее РЗ 1, а при КЗ на Wi, наоборот, НТЗ 1 должна подействовать быстрее РЗ 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены с помощью НТЗ. Кроме того, МТЗ и НТЗ часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Селектив- ное отключение КЗ в сложных кольцевых сетях может быть обеспечено с помощью дистанционной РЗ (ДЗ). Выдержка времени ДЗ /3 зависит от расстояния (дистанции) t3 = /(/р к) (рис. 11.2) между местом установки РЗ (точка Р) и точкой КЗ (К), т. е. 1рЖ, и нарастает с увеличением этого рас- стояния. Ближайшая к месту повреждения ДЗ имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные ДЗ. Например, при КЗ в точке К1 (рис. 11.2) Д32, расположен- ная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдерж- кой времени, чем более удаленная Д31. Если же КЗ возникает в точке К2, то время действия Д32 увеличивается, и КЗ селек- тивно отключается ближайшей к месту повреждения ДЗЗ . Основным элементом ДЗ является дистанционный измерительный орган (ДО), определяющий удаленность КЗ от места установки РЗ. В качестве ДО используются реле со- противления (PC), реагирующие на полное, реактивное или Рис. 11.1. Кольцевая сеть с двумя Уточниками питания: О “ Максимальная токовая на- правленная защита; £> - ди- станционная защит? W1 361
Рис. 11.2. Зависимость выдержки времени дистанционной защиты от расстояния до места КЗ активное сопротивление поврежденного участка ЛЭП (Z, X, R). Сопротивление фазы ЛЭП от места установки реле Р до места КЗ (точки К) пропорционально длине этого участка /рж, так как ZpK — ZylpKJ Хр<к — Xylp<K’, Кр,к ~ ^у^рж> Хр>к, ^р.к> ^р.к — полное, реактивное и активное сопротивления участка ЛЭП длиной /р>к; Zy, XyJ Ry - удельные сопротивления на 1 км ЛЭП, Таким образом, поведение дистанционного органа, реаги- рующего на сопротивление линии, зависит от расстояния до места повреждения. В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует ДО (Z, X или R), ДЗ подразделяются на РЗ полного, реактив- ного и активного сопротивлений. Дистанционные РЗ реактив- ного и активного сопротивлений применяются редко, поэто- му в дальнейшем рассматриваются только ДЗ, построенные на измерении полного сопротивления. Реле сопротивления, применяемые в ДЗ для определения сопротивления ZpK до точки КЗ, контролируют напряжение и ток в месте установки ДЗ (рис. 11.3). К зажимам PC подводятся вторичные значения Up и /р от TH и ТТ. Реле выполняется так, чтобы его поведение в общем случае зависело от отношения Up к /р. Это отношение является некоторым сопротивлением Zp. При КЗ Zp = и при определенных значениях Zp<K PC срабатывает; оно реаги- рует на уменьшение Zp, поскольку при КЗ Up уменьшается, Рис. 11.3. Подключение цепей тока и напря- жения реле сопротивления
возрастает. Наибольшее значение Zp, при котором PC сра- батывает, называется сопротивлением срабатывания реле 2с.р- Zp = Ut/Ip (11.1) Для обеспечения селективности в сетях сложной конфигу- рации на ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ необходимо вы- полнять направленными, действующими при направлении мощности КЗ от шин в ЛЭП. Направленность действия ДЗ обеспечивается при помощи дополнительных РНМ или приме- нением направленных PC, способных реагировать и на направ- ление мощности КЗ. 11J. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ Зависимость времени действия ДЗ от расстояния или со- противления до места КЗ t3 = /(/p.K) или t3 = /(ZpK) называется характеристикой выдержки времени ДЗ. По характеру этой за- висимости ДЗ делятся на три группы: с плавнонарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенча- тыми и комбинированными характеристиками (рис. 11.4). Ступенчатые ДЗ действуют быстрее, чем ДЗ с наклонной и комбинированной характерис- тиками и, как правило, получают- ся проще в конструктивном ис- полнении. Наиболее распростра- ненные ДЗ со ступенчатой харак- теристикой выполняются обычно с тремя ступенями времени: tj, *П» > соответствующими трем зонам действия ДЗ (рис. 11.4). Рис. 11.4. Характеристики дистанционных защит t = ДГрфК): а - наклонная; б — ступенчатая; в — Комбинированная 363
113. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ СЕТИ С ПОМОЩЬЮ СТУПЕНЧАТОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ На ЛЭП с двусторонним питанием ДЗ устанавливаются с обеих сторон каждой ЛЭП и должны действовать при направ- лении мощности от шин в ЛЭП. Дистанционные РЗ, действу- ющие при одном направлении мощности, необходимо согла- совать между собой по времени и по зоне действия так, чтобы обеспечивалось селективное отключение КЗ. В рассматривае- мой схеме (рис. 11.5) согласуются между собой ЛЗ-1, ДЗЗ, Д35 и Д36, Д34, ДЗЗ. С учетом того, что первые ступени ДЗ не имеют выдержки времени ц = 0), по условию селективности они не должны действовать за пределами защищаемой ЛЭП. Исходя из этого протяженность первой ступени, не имеющей выдержки вре- мени (tj = 0), берется меньше протяженности защищаемой ЛЭП и обычно составляет 0,8-0,9 длины ЛЭП. Остальная часть защищаемой ЛЭП и шины противоположной подстан- ции охватываются второй ступенью ДЗ этой ЛЭП. Протяжен- ность и выдержка времени второй ступени согласуются (обыч- но) с протяженностью и выдержкой первой ступени ДЗ следу- ющего участка. Например, у второй ступени Д31 зона дейст- вия отстраивается от конца первой ступени ДЗЗ (т.е. 2ц(1) < < а время действия выбирается на ступень At больше ho)’ = *1(3) + А*- Рис. 11.5. Согласование выдержек времени дистанционных РЗ со ступенчатой характеристикой: Дг - погрешность дистанционного реле; At - ступень селективности 364
Последняя третья ступень ДЗ является резервной, ее про- тяженность выбирается из условия охвата следующего участ- ка на случай отказа его РЗ или выключателя. Выдержка вре- мени принимается на At больше времени действия второй или третьей зоны ДЗ следующего участка. При этом зона действия третьей ступени должна быть отстроена от конца второй или третьей зоны следующего участка. 11.4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ СО СТУПЕНЧАТОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ В отечественных энергосистемах ДЗ применяется для дей- ствия при междуфазных КЗ, а для действия при однофазных КЗ используется более простая ступенчатая МТЗ НП, рассмот- ренная в гл. 8. На рис. 11.6 приведена упрощенная структур- ная схема трехступенчатой ДЗ от междуфазных КЗ с направ- ленными измерительными ДО. Защита имеет четыре функцио- нальные части, обведенные пунктиром на рис. 11.6, а: измери- тельную 1, логическую 2, исполнительную 3, вспомогатель- ную 4. Измерительная часть 1 состоит из измерительных ДО, определяющих удаленность места КЗ или, точнее говоря, всю зону степени, в пределах которой возникло повреждение. Ди- станционный ИО выполняется с помощью направленных минимальных PC, действующих при определенном направле- нии мощности КЗ (от шин в линию). Реле сопротивления вклю- чается через TH и ТТ на первичные напряжения (Jp.n и ток 1р.п в начале защищаемой ЛЭП. Вторичное напряжение на за- жимах PC Up = Up^/Kjj, а вторичный ток 1р = 1Р.П/Кг • Сопротивление на входных зажимах реле определяется по выражению ^р.п К} &JZ Гр ~ ки /р.п ~ КиР'П ’ (11.2) [/р.п где Zp n = —— ----первичное значение сопротивления, подве- 'р.п денного к зажимам реле. Первичное сопротивление ZC3 = Лю-------- называется сопро- К; тивдением срабатывания ДЗ. В трехступенчатой ДЗ, изобра- 365
отдельный комплект ДО KZI, KZI1, KZIII, действующий при КЗ в пределах I, П, III зон (ступеней) соответственно. В § П-5 показано, что для правильного определения зоны поврежде- ния при различных видах двухфазных КЗ е каждой ступени 366
дЗ необходимо устанавливать три PC - одно для действия при КЗ между фазами АВ, второе - при КЗ между фазами ВС и третье - при КЗ между фазами СА. Схема с тремя измерительными PC в каждой ступени полу- чила название трехсистемной. На рис. 11.6 для упроще- ния показан один комплект KZBC и указано место подсоеди- нения двух других KZAB и KZCA. Срабатывая, измеритель- ные реле KZ действуют на логическую часть ДЗ 2. Логическая часть 2 имеет два органа времени КТ2 (второй ступени Гп) и КТЗ (третьей ступени tui). Первая ступень ДЗ замедления не имеет (tj = 0). Логические органы (ЛО), ИЛИ, И, НЕ, получив сигналы от KZ и элементов блокирующей части 4, формируют выходные сигналы, воздействующие на органы времени и ИО. Исполнительный орган 3 (ИО). Получив сигнал от КТ2, КТЗ или непосредственно от KZI, АВ (ВС, СА) ИО пере- дает команду на отключение выключателя. Исполнительный орган выполняется с помощью электромеханического проме- жуточного реле или в виде статического устройства на тири- сторах. Вспомогательное блокирующее устройство 4 служит для‘блокирования действия ДЗ путем автоматиче- ского вывода ее из работы в режимах, когда ДЗ может непра- вильно сработать при отсутствии повреждения на защища- емой ЛЭП. К таким режимам относятся качания в энергоси- стеме и повреждения в цепях TH, питающих ДЗ. Устройство 4 состоит из блокировки при качаниях УБК и блокировки УБН, действующей при неисправностях в цепях TH. Блокировка при качаниях УБК. Во время кача- ний напряжение Up в месте установки ДЗ периодически сни- жается, а ток в защищаемой ЛЭП возрастает, при этом соот- ветственно уменьшается Zp = Up/Ip. Реагирующие на Up, 1р и Zp измерительные органы PC могут прийти в действие, что вызовет неправильное срабатывание первой ступени ДЗ, ра- ботающей мгновенно. Вторая и третья ступени имеют выдерж- ку времени, и они, как правило, не успевают сработать за вре- мя периода качаний. Поэтому блокировка УБК, как показано На рис. 11.6, блокирует первую ступень, а в тех случаях, когда время действия второй ступени мало (Гц < 1 с), - и вторую. Принцип действия блокировки при качаниях рассмотрен в гл. 13. 367
Блокировка УБН. При неисправностях в цепях напря. аИ жения TH напряжение Up, подводимое к PC, исчезает или рез- 9 ко понижается. В результате этого реле сопротивления, вклад. 9 ценные на это напряжение, приходят в действие, что приво- 9 дит к неправильному срабатыванию ДЗ. При исправном со- 9 стоянии цепей напряжения с выхода УБН, схемы которой рас- смотрены в § 6.4, на входы всех логических элементов И по- ж ступает логический сигнал 1, разрешающий появление сигна- ж ла на элементах И и, как следствие этого, возможность дей- ‘ ствия ДЗ, если срабатывают ИО (PC). При неисправностях в цепях TH выходной сигнал УБН изменяется с логической 1 до логического 0, чем блокируется действие элемента И, т. е. исключается возможность появления сигнала на его выходе. Работа ДЗ. В нормальном режиме Zp = 1/рфН/-^.н = 2р.ц (здесь Ц>.н’ -^рн’ ^р.н ~ напряжение, ток, сопротивление на зажимах PC в режиме максимальной нагрузки, когда Zp н имеет наи- меньшее значение). Сопротивления срабатывания PC всех ступеней выбираются меньше. Zp н т1л. Поэтому PC всех ступе- ней, а следовательно, и ДЗ в целом не действуют. В режиме короткого замыкания. Если КЗ возникло в пре- делах первой ступени, в точке К1 (рис. 11.6,6), то Zp < Zb KZI приходит в действие, срабатывает и блокировка УБК, на j входе И1 появляются три сигнала: УБК, KZ1 и УБН. На выхо- ' де И1 появляется сигнал о срабатывании KZ1, который посту- пает на ИО; ДЗ действует на отключение ЛЭП без выдержки времени (с t = 0). При КЗ в I зоне кроме KZI работают ИО KZII и KZIII, но £ II и III ступени имеют выдержки времени, и поэтому раньше • срабатывает I ступень. Если КЗ происходит во II зоне (точка • К2), но за пределами I зоны, то KZI не действует, работают KZII и KZIII, которые через соответствующие логические эле- менты ИЛИ, И, НЕ посылают сигналы на КТ2 и КТЗ. Реле КТ2 срабатывает с раньше КТЗ и подает сигнал на ИО, послед- ний замыкает цепь отключения выключателя ЛЭП. При КЗ в точке КЗ за пределами II зоны, но в пределах III зоны KZI и KZII не действуют, срабатывает KZIII с выдержкой времени на реле КТЗ, и затем выходной элемент ИО подает команду на отключение. В сетях с изолированными нейтралями применяются ДЗ с ненаправленными PC. В схему ДЗ при этом дополнительно вводятся РНМ, не позволяющие ДЗ срабатывать при направ- 368
лении мощности КЗ к шинам подстанции. Применяется также односистемная ДЗ с одним ДО и токовыми ПО. Особенностью этой схемы является использование в качестве ДО защиты от всех видов междуфазных КЗ только одного PC. При этом для правильного действия ДЗ при различных видах КЗ к реле в момент возникновения повреждения подводятся токи и напряжения соответствующих поврежденных фаз в сочетаниях, обеспечивающих одинаковый замер сопротивления (прямой последовательности Zt) до места КЗ. ИЛ. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ И ПУСКОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ НА НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК СЕТИ Требования к схемам включения. Измерительные ДО, вы- полняемые с помощью PC, должны включаться на такие на- пряжения и токи сети, при которых сопротивление на зажимах реле Zp, во-первых, будет пропорционально расстоянию Zp-K до места повреждения и, во-вторых, будет иметь одинаковые значения (по модулю и углу) при всех видах КЗ в одной точке. Для соблюдения этих требований к ДО необходимо подводить напряжение в месте установки ДЗ, равное падению напряже- ния в сопротивлении Zp K до точки К: l/p = ZKZp#K (рис. 11.7). При этом для обеспечения одинакового Zp при всех видах КЗ ток Zp, подводимый к PC, должен равняться току КЗ 1К, опре- деляющему падение напряжения в сопротивлении Zp к: Zp = 1/р//р = /KZp.K/lK = Zp.K. (11.3) С учетом сказанного ДО включаются на напряжение и ток петли КЗ. Схемы включения ДО, реагирующих на междуфаэ- ные КЗ и ДО, реагирующих на однофазные КЗ, должны быть разными. ₽ис. 11.7. Схема включения дистан- ционных органов 369
Включение дистанционных органов, реагирующих на между, фазные КЗ. Включение на междуфазные напряжения и раз- ность фазных токов осуществляются согласно табл. 11.1. При трехфазных КЗ (рис. 11.8, б) все три ДО находятся в одинаковых условиях, к каждому из них подводится междуфазное напря- жение, равное '/з'Оф. Фазное напряжение равно падению на- пряжения в проводе от места установки PC до точки К. Отсю- да напряжение Ср5'' = \f^I^}Z1K = \f^I^}Z1YlK, где 1^э> - ток трех- фазного КЗ, проходящий по фазе; Z1K - сопротивление прямой последовательности фазы от места установки реле до точ- ки К: Ij. - расстояние до места КЗ; Ziy - удельное сопротивле- ние прямой последовательности фазы на 1 км. Ток в каждом реле равен геометрической разности токов двух фаз, т. е. = /З^3), следовательно, сопротивление на зажимах каждо- го PC Z(3! = = ZIK =Z^ = I*. При двухфазных КЗ, например между фазами В и С (рис. 11.8, в), только один ДО, включенный на напряжение меж- ду поврежденными фазами В и С, получает напряжение, про- порциональное расстоянию L. Это напряжение равно падению напряжения в фазах В и С: = Ubc ~ 24^1К. Ток j^2) = Рис. 11.8. Короткое замыкание на защищаемой линии: а — схема сети; б — токи и напряжения поврежденных фаз при трехфазном КЗ; в-при двухфазном КЗ 370
Таблица 11.1 Таблица 11.2 Реле фаз Ур Реле фаз Ур 4 АВ иАВ I A - IB AB Uab lA ВС иве 1в - 1c ВС Ubc 'в СА UCA Ic~1a СА UCA 'с = 21*. Отсюда находим Zp21 = - Ubc/(Ib~ 1с) ~ Ziyk £цс при всех видах междуфазных КЗ сопротив- реле равно сопротивлению прямой последо- Z . Следовательно, 7<2) - 7 При КЗ на фазах АВ и СА Zp находится аналогично и также Z(2) = Z 1К. Можно показать, что и при двухфазных КЗ на землю 4’’”А* = Таким образом, ление на зажимах вательности фазы Z = L И Z'31 = Включение PC, выполняющих функции ПО. Они включают- ся на междуфазное напряжение и фазный ток по табл. 11.2. Определяя, как и в предыдущем случае, значения падения на- пряжения до точки К (рис. 11.8) и находя Zp = Up/Ip, можно убе- диться, что при трехфазных КЗ Z^} = >/3Z1K, а при двухфаз- ных КЗ в той же точке Zp2) = 2Z1K. Таким образом, данная схема, удовлетворяя первому из заданных условий Zp = /к, не обеспе- чивает второго условия, так как Zp’K * Z{pK- Поэтому схемы включения PC на междуфазное напряжение и фазный ток не должны применяться для включения ДО I и II зон. Включение PC по табл. 11.2 используется для ИО Ш зоны, если они одно- временно выполняют функции ПО. При обеих схемах включения в случае двухфазного КЗ (рис. 11.8, е) из трех ДО правильно определяет удаленность повреждения только один, включенный на напряжение меж- ду поврежденными фазами. Способы включения ДО на разность токов двух фаз. Для включения PC на разность токов согласно табл. 11.1 обычно 371
Рис. 11.9. Включение ди. станционных органов на разность токов двух фаз; а - с помощью вспомо- гательного трансформато- ра тока TAL; б — с по- мощью трансреактора TAV используются промежуточные трансформаторы тока TAL или трансреакторы TAV - датчики тока, у которых для этой цели предусматриваются две первичных обмотки 1 и 2 (рис. 11.9). Каждая первичная обмотка включается на ток фазы по табл. 11.1, так чтобы наводимые ими магнитные потоки в сердечнике TAL или TAV были направлены встречно и создавали резуль- тирующий поток Фр = фА - фв, пропорциональный разности токов, питающих первичные обмотки. Ток вторичных обмо- ток 3 (или ЭДС трансреактора) будет также пропорционален разности указанных первичных токов Включение дистанционных органов, реагирующих на одно- фазные КЗ. Дистанционные органы, предназначенные для оп- ределения удаленности мест однофазных КЗ, включаются по схеме с токовой компенсацией (рис. 11.10, а). Схема преду- сматривает три PC, каждое из которых включается согласно Рис. 11.10. Схемы включения дистанцион- ных органов на ток 7ф + Л37О; а — трехфазная; б — для получения то- ка 7ф + *37О 372
Таблица 11.3 Реле фаз Напряжение Ток А ил iА + t3I0 В Ub 'В + *3I„ С Uc 'с + и0 табл. 11.3 на напряжение и ток I? = 1ф + k3IQ, где 1ф - ток той же фазы, что и напряжение иф; k3IQ - ток, пропорциональ- ный току НП. 2 -2, Коэффициент пропорциональности к = . При таком значении к сопротивление на зажимах реле при однофазных КЗ — получается равным сопротивлению прямой последовательности до места КЗ Z5. Следовательно, при включении по табл. 11.3 ИО, реагирующего на однофазные КЗ, сопротивление Zp на его зажимах получается таким же, как и у реле, реагирующих на междуфазные КЗ и включенных по табл. 11.1. В обоих случаях Zp=Z1. Покажем, что выбранная схема компенсации обеспечивает Zp = Zp Рассмотрим однофазное КЗ (рис. 11.11), например на фазе д. Согласно табл. 11.3 сопротивление на зажимах PC фазы А: ил 1А + к31„' (11.4) Выразим напряжение фазы А в месте установки ДЗ (в точ- ке р) через симметричные составляющие IJA = U + U2 + Uo. Каждая составляющая в точке Р равна напряжению соответ- ствующей последовательности в точке К и падению напряже- ния той же последовательности на участке КР (рис. 11.11). Отсюда Ул = (U1K + IA) + <У2к + hz2> + (Уок + (Ц-5) Гпе ^2к> Uqk ~ напряжения прямой, обратной и нулевой последовательностей в точке К\ Ц, 12, 10 - симметричные со- ставляющие тока КЗ; Zx, Z2, Zo - сопротивления прямой, об- ратной и нулевой последовательностей участка КР. 373
LZ kO ------- ------*J_ U<^liZt*l2l-2*loZo Рис. 11.11, Однофазное КЗ j[g] te--o Пит^ис | Питаиц, jm -x?w~ Рис. 11.12. Условия работы дистанционных органов при двойном КЗ на землю Поскольку на поврежденной фазе А в месте КЗ [7д = 0, по- этому П1К + у2К + Пок = О, L?a ~ + /2^2 IoZv (И.5а) Прибавляя и вычитая в правой части уравнения (11.5а) IqZj и учитывая, что для ЛЭП сопротивление Z1 = Z2 и что для фазы А сумма 1г +12 + 10 = 1А, получаем Lja ~ Jazi + /0(Z0-Z1). (11.56) Вынесем в (11.56) за скобки Zn умножим иразделимнаЗ второй член в правой части равенства, после чего подставим преобразованное выражение UA в (11.4), тогда I zo-zi \ /.4 + k3lQ (11.6) Учитывая, что в (11.6) получаем Z0 ——— = к, и производя сокращения, Zp — Zi — Zly /р к . (11-7) Выражение (11.7) справедливо для однофазных замыканий фаз В и С и для КЗ на землю любых двух фаз. Таким образом, при включении PC по схеме с токовой компенсацией сопро- тивление Zp = Zpj{ имеет одинаковые значения Zt при всех видах КЗ на землю и не зависит от соотношения токов и 374
При однофазном КЗ правильно работает только одно реле, включенное на напряжение и ток поврежденной фазы. Два других реле, включенные на ток и напряжение неповрежден- ных фаз, имеют Zp>Z1. Схема с токовой компенсацией от- вечает требованиям, предъявляемым к ДО, и получила рас- пространение для ИО, реагирующих на КЗ на землю. Для выполнения токовой компенсации часто применяется схема, приведенная на рис. 11.10,6. Реле питается током че- рез промежуточный трансформатор или трансреактор с двумя первичными обмотками. Одна из них включена на ток фа- зы 1ф, а вторая w0 - на ток 310. Их число витков подбирается так, чтобы и’ф/и’о = 1/к. Результирующий поток первичных об- моток Фрез = Фф + кфо = 1ф + k3IQ) поэтому вторичный ток транс- форматора или вторичная ЭДС трансреактора будут пропорцио- нальны току /ф + /сЗ/0. Обычно k < 1. Условия работы дистанционных органов при двойных замы- каниях на землю. В сети с малым током замыкания на землю ДЗ должны реагировать на междуфазные КЗ, и их ДО включа- ются на междуфазные напряжения и разность фазных токов. Как указывалось, в таких сетях возможны двойные замыка- ния на землю (рис. 11.12). Защита в этом случае должна от- ключать одно место повреждения. Исследование условий ра- боты ДЗ при двойных замыканиях на землю показывает, что они не могут обеспечить четкого выполнения этого требова- ния. Наилучшие результаты получаются, если на участке К1-К2 (рис. 11.12) между двумя точками повреждения ДО включены на фазное напряжение по схеме с токовой компен- сацией, а на участке между точкой повреждения и источни- ком питания - на междуфазное напряжение и разность фаз- ных токов. Для этого ДО нормально включены на междуфаз- ное напряжение и разность фазных токов. При появлении тока НП, всегда возникающего на участке между точками замыка- ния на землю (К1 и К2), ДО, установленные на этом участке, автоматически переключаются на напряжение фазы и ток /ф + и/0.
11.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ Использование комплексной плоскости для изображения характеристик PC. Сопротивление является комплексной вели- чиной, поэтому характеристики срабатывания PC Zc-p (Zp, ф ) и сопротивления на их зажимах Zp удобно изображать на комп- лексной плоскости в осях R, jX (рис. 11.13). В этом случае по оси вещественных величин откладываются активные сопротивле- ния R, а по оси мнимых величин - реактивные сопротивле- ния X. Полное сопротивление на зажимах реле Zp = Up/Ip может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Zp = Rp + jXp = ZpeJ<₽ и изображено в осях R, jX вектором с координатами Rp и jXp (рис. 11.13, а). Величина этого вектора характеризуется модулем \zp ] = = +xj, а его направление - углом фр, который определя- ется соотношением Хр и Rp, поскольку tg фр ~ Xp/Rp. На рис. 11.13, б видно, что угол фр равен углу сдвига фаз между векторами тока^ и напряжения Up, следовательно, можно счи- тать, что на комплексной плоскости вектор 1р совпадает с осью положительных сопротивлений R, а напряжение Up - с векто- ром Zp. Любой участок сети, например W1 (рис. 11.13, е), можно представить в осях R, jX вектором ZAB ~ Zwl, имея в виду, что каждая точка ЛЭП характеризуется определенными сопро- тивлениями Rwi и Xiyj. Если сопротивление всех участков сети Хп имеет один и тот же угол фл = arctg-, то их геометрическое место на комплексной плоскости изображается в виде пря- мой, смещенной относительно оси R на угол фл (рис. 11.13, г). Начало защищаемой ЛЭП, где установлена рассматриваемая ДЗ А, совмещается с началом координат (рис. 11.13, е, г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону ДЗ А, считаются положительными и распо- лагаются в I квадранте комплексной плоскости (рис. 11.13,г). Координаты участков сети, расположенные на рис. 11.13, в слева от точки А, считаются отрицательными и располагаются в III квадранте. Сопротивление линии W1 показано на диаграм- ме отрезком АВ, W2 - отрезком ВС и W3 - отрезком AD. Сопро- тивление Zp к от места установки ДЗ до точки К изображено отрезком АК под углом фк = фл к оси R (рис. 11.13, в, г). Если КЗ произошло через электрическую дугу, имеющую активное со- 376
Рис. 11.13. Построение характеристик реле сопротивления на комплексной плоскости 7?, jX- а — изображение вектора Zp; б — треугольник сопротивлений; в, г — участок сети и его изображение в осях R, jX\ д - область сопротивлений Zp при КЗ через сопротивление электрической дуги противление Ra, то сопротивление до места КЗ будет изобра- жаться вектором АК, равным геометрической сумме векто- ров ZK и (рис. 11.13, д): AX'=ZK+Rfl. (П.8) Исследования показали, что значение 7?д пропорционально длине дуги / , м, и тем меньше, чем больше ток КЗ 1К, А: = Юд/1к, (11.9) где К - постоянная величина, равная 1200-1500. С учетом этого на рис. 11.13,3 сопротивление Ra при КЗ в начале ЛЭП показано меньшим, чем в конце, поскольку 1К в первом случае всегда больше, чем во втором. Вектор сопротив- ления при нагрузке Zpa6min показан на рис. 11.13, г располо- женным под углом фн < фк. 377
Графическое изображение характеристик срабатывания реле. Характеристики срабатывания основных типов PC, изображен- ные на рис. 11.14, представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Zp = Zz Заштрихованная часть характеристики, где Zp «£ Zc>p, соответствует области дед. ствия реле. При Zp, выходящих за пределы заштрихованной части, т. е. при Zp>Zcp, реле не работает. Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при КЗ в пределах принятой зоны действия (Z'). С учетом сопротивления электрической дуги вектор Zp = ZK + + Ra может располагаться при КЗ на защищаемом участке ЛЭП в пределах площади четырехугольника ОКК'К” показанного на рис. 11.13, д. Действие реле при КЗ будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рис. 11.14 будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления Zp при КЗ на ЛЭП (площадь ОКК'К" на рис. 11.13, д). Однако область срабатыва- ния PC имеет ограничения: реле не должно действовать при сопротивлении нагрузки (при Zpa6min) и при качаниях. Для Рис. 11.14. Характеристики срабатывания реле сопротивления о *я 378
этого векторы Zpa6min и ZKa4 должны располагаться за преде- лами области срабатывания реле, т. е. должно соблюдаться условие Zc>p < Zpag min и по возможности Zcp < ZKa4 . Ненаправленное реле полного сопротивления (рис. 11.14, а). Характеристика этого реле имеет вид окружности с центром в начале координат и радиусом, равным К. Реле работает при К при любых углах фр между вектором Zp и осью R. Харак- теристика срабатывания PC выражается уравнением Zc.p = К, (11.10) где к-постоянная величина. Зона действия реле расположена в четырех квадрантах, в том числе в I и III. Реле с характеристикой, изобра- женной на рис. 11.14,а, работает как ненаправлен- ное PC. Направленное реле полного сопротивления имеет Z за- висящее от угла фр (рис. 11.14, б). Его характеристика срабаты- вания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максималь- ное значение при фр - Фм.ч, где фм ч - угол максимальной чув- ствительности реле, при котором Zc p = Zcp max, т. е. равен диа- метру окружности ОВ. Зависимость срабатывания этого реле от угла фр может быть представлена уравнением Zc.p = Zc.p max с05(фм.ч - Фр). (11.11) Реле не работает при Zp, расположенных в III квадранте. Это означает, что оно не может действовать, если мощность направлена к шинам подстанции. Следовательно, рассмот- ренное реле является направленным. Как и РНМ, направлен- ное PC имеет ’’мертвую зону” при повреждениях в начале за- щищаемой ЛЭП. Реле с круговой характеристикой, смешенной относительно начала координат. На рис. 11.14, в показана характеристика, смещенная в Ш квадрант на расстояние Z". Такое реле рассчи- тано на работу при КЗ на защищаемой линии W1 (рис. 11.13, в) и включает в зону своего действия питающие эту ЛЭП шины и часть длины (пропорциональную Z") других отходящих от Шин ЛЭП (на рис. 11.13, е это шины А и часть ЛЭП W3). Уравне- 379
ние смещенной характеристики в векторной форме имеет вцд (11.12) Уравнение (11.12) можно получить из рассмотрения треугодь. *5 ника ОО'С. Как видно из чертежа, геометрическая разность ? вектора Z’- Z" равна диаметру окружности, отсюда ' z'~ z” 2 z + z" > Из того же чертежа видно, что-----= 00 с учетом 1 z'+z" I . _ _ &.р-------2— = |ос -00’1 = О'С = г, (11.12а) (11.126) где С-любая точка окружности; г - радиус окружности. Приравнивая левые части уравнений (11.12а) и (11.126), полу- чаем (11.12). Для дистанционных органов второй и третьей сту- пеней находят применение реле с характеристикой, смещенной в сторону I квадранта. Такая характеристика позволяет увели- чить зону действия и улучшить отстройку от нагрузки. Л Реле с эллиптической характеристикой. На рис. 11.14, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания такого реле Zc.p зависит от угла (₽р и имеет наибольшее значение при (₽р = Фм.ч- Угол Фм.ч, как и в предыдущем случае, равен <рл. Сопротивле- ние Zc max равно большой оси эллипса 2a. Как известно, эллипс является геометрическим местом то- чек, сумма расстояний которых до фокусов Ь и d постоянна и равна большой оси 2a. На основании этого, обозначая коорди- наты фокусов b и d, Z' и Z", а координаты любой точки С эл- липса Zc>p, получаем уравнение эллиптической характеристики |ZC.P - Z'l + |zc.p - Z"| = 2a. (11.13) По сравнению с круговой характеристикой эллиптическая характеристика имеет меньшую рабочую область. Это Д&ет возможность лучше отстроить реле от качаний и перегрузок, но ухудшает чувствительность при КЗ через переходное сопро- тивление Rn. 380 1
теристику вить, что . .апр чем реле с характеристикой в виде многоугольника. Подобная хараКтеРистИКа напРавленных PC’ имеющая форму четырех- гольника, показана на рис. 11.14,3. Сопоставляя эту харак- с площадью ОКК’К" на рис. 11.13,3, можно устано- четырехугольная характеристика реле в большей другие характеристики, совпадает с контуром об- ласти расположения векторов Zp при КЗ и является с этой тОчки зрения наиболее рациональной. Пунктиром показан вариант характеристики ОА' и ВС, преду- сматривающий расширение зоны реле для обеспечения его действия при двустороннем питании КЗ через переходное сопротивление. На рис. 11.14, е показана характеристика, имеющая форму треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позво- ляет отстроиться от Zp при больших значениях тока нагрузки ^рабтох’ чему соответствует минимальное значение Zpa6mjn = = 0,91/ном/-Граб max » и допускает срабатывание PC при значитель- ном переходном сопротивлении Rn в случае удаленных КЗ. Реле реактивного сопротивления срабатывает при Хс.р = = Zc.psin фр, Хс>р = К, где К - постоянная величина. Характери- стика таких PC изображается прямой линией, параллельной оси X (рис. 11.14, ж), отстоящей от нее на расстоянии Хс р = К. 11.7. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ДЗ В КАЧЕСТВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ, И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОНСТРУКЦИЯМ Элементные базы изготовления PC. Первоначально PC, как и другие виды реле, выполнялись на электромеханиче- ских элементах главным образом на индукционном принципе. С развитием полупроводниковой техники получили широкое применение статические конструкции PC сначала на полупро- водниковых приборах, выполняемые из отдельных (дискрет- ных) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденса- торов. 8 70-х годах отечественная промышленность перешла на вы- пуск PC только на выпрямленном токе с использованием дис- кретных полупроводниковых приборов. В связи с развитием микроэлектронной техники на базе интегральных микросхем (ИМС) последние стали применяться в качестве новой эле- 381
ментной базы при построении PC. Использование ИМС, а также: элементов вычислительной техники открыло пути дальнейшего-) совершенствования характеристик и параметров ИО ДЗ. Появц-^ лась возможность уменьшения габаритов, потребления, выпол- нения PC с характеристиками сложной формы, а также повыше- ния надежности реле, в частности за счет внедрения автомати- ческих схем непрерывного контроля исправности измеритель- ных и логических элементов ДЗ. Отечественная промышлен- ность в 80-х годах начала выпуск PC с улучшенными параметра- ми на интегральных операционных усилителях. Значительные успехи в широком применении сверхбольших ИМС (СБИМС) и создании на их основе микропроцессоров и микроЭВМ позво- ляют приступить и в нашей стране к применению дистанцион- ных защит на микропроцессорной базе. Разработка и изготов- ление таких отечественных РЗ уже начаты [20,21]. Принципы выполнения статических PC. Все разновидности PC основаны на сравнении абсолютных значений или фаз двух или нескольких электрических величин. Эти величины пред- ставляют собой синусоидальные напряжения Ux, U2, ...» 1/п[Ц » = £Jimsin cot, U2 ~ V2msin((jit + (p2) и т. д.]. Каждое из них являет- ся линейной функцией напряжения 1/р и тока 1р, -измеряемых в месте установки РЗ. Сравниваемые напряжения образуются из Up и Jp по выражениям, аналогичным (2.38): t/i = кшир + У2 = 1/p + 2WP; (11.14) Уп = + ^л/р- Коэффициенты - KUn (11.14) являются постоянными величинами. Их значения определяют форму и уставки харак- , теристики срабатывания. Коэффициенты Кц - К/п представля- ют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений, а Ку1 - K[jn - действительные числа. Реле сопротивления с характеристиками срабатывания в ви- де окружности, эллипса (овала) и прямой линии (рис. 11.14, а-г, ж) \ выполняются по принципу сравнения двух напряжений j t/j и По (И.14). Для получения реле с характеристикой в Ч форме треугольника или четырехугольника (рис. 11.14, е, 3) J J 382
□изводится сравнение трех или четырех напряжений L\, X и<- '‘напряжение С/х - С/п целесообразно выразить через сопротив- ления Zp, поскольку поведение PC зависит от их значений, для этого следует преобразовать правую часть уравнений (11 14), вынеся за скобки 1р и коэффициент Ку при С/р, тогда с учетом того, что Ьр =IpZp, получим: Ц - {zp + K^jJptZp-Zj); “ \ nUi / (11.14а) Уп ~ ^Lfnlpi^P ~ Krr 'j ~ ^UnlpC^p ~^п)- \ Л^л / К/х —In Здесь принято, что Z, ==----, Zn = . Сопротивле- KUn ния Zx и Zn являются постоянными комплексными величи- нами, определяющими форму характеристики и уставки сра- батывания реле. Реле сопротивления на полупроводниковых элементах вы- полняются на сравнении абсолютных значений и на сравнении фаз. Последние более быстродействующие (они могут срабаты- вать в течение полупериода промышленной частоты, т. е. с t % 0,01 с) и проще в исполнении. Поэтому PC, построенные на сравнении фаз, находят все более широкое применение. Ниже рассмотрены принципы построения PC обоих видов. Общая структурная схема дистанционного органа. Реле со- противления, выполняющие функции ДО, построенные на сравнении фаз или абсолютных значений электрических вели- чин, выполненные на полупроводниках в виде дискретных элементов или ИМС, имеют одинаковую структурную схему (рис. 11.15). Рассматривается общий случай сравнения п напря- жений 1/х - 1/п, образованных По (11.14). Реле состоит из четырех частей: 1 - преобразователей напряжения Пу (ПТН) и тока П/ (ПТТ или ПТР); 2 - устройств формирования сравниваемых на- пряжений УФ; 3 - устройства УС, осуществляющего сравнение электрических величин по абсолютному значению или по фа- зе; 4 - реагирующего и исполнительного органа РО. 383
Рис. 11.15. Структурная схема полупро. водникового реле сопротивления Напряжение Up и ток /р от измерительных ТТ и TH подводят- ся к Пи и П;, которые преобразуют исходные величины и и /р в пропорциональные им напряжения: UH = KyUp и UT ~ Kji Эти напряжения по (11.14а) подаются к формирователям Уф. । Каждый формирователь представляет собой сумматор, пре- образующий входные напряжения в сравниваемые величины по (11.14) и осуществляющий их суммирование. Например, в сумматоре п образуется два напряжения КупУр и KjnIp, они суммируются, и на выходе УФ появляется напряжение уп = ~ по (11-14). Аналогично образуются напряжения на выходе остальных сумматоров. В зависимости от принципа работы PC в состав устройства формирования могут входить выпрямители синусоидальных величин, получаемых от преоб- разователей Up и 1р,-и частотные фильтры, подавляющие токи высших гармоник. Напряжения Ut - Un с выхода УФ поступают на вход схемы сравнения УС. Здесь производится их сравнение по модулю или по фазе в соответствии с заданным условием (алгоритмом) срабатывания PC. В результате на выходе УС появляется напряжение 1/вых, значение или знак которого за- висит от соотношения абсолютных значений или от фаз срав- ниваемых величин. Выходной сигнал поступает на РО. При определенных значениях амплитуд или фаз сравниваемых на- пряжений, соответствующих повреждению в зоне действия PC, на выходе РО появляется сигнал о срабатывании реле в виде Свых > ЕГср. Основные требования к ДО (PC). 1. Реле сопротивления I ступени должны быть быстродействующими: tcp = 0,01 + 0,02 с всетях 500 кВ, tcp = 0,02+ 0,04 с в сетях 110-220 кВ. 2. Реле сопротивления, выполняющие функции ИО I, И 11 III ступеней ДЗ, должны иметь высокую точность при срабаты- вании в конце зоны их действия: AZ = Zy - Zc р. 384 •/ J
3 Измерительные органы II ступени должны иметь кВ03 = - Z /2С р 1’05 * 1Д, что позволит повысить их чувствитель- ность. 4 реле сопротивления не должны работать в переходных ре- ^имах при наличии в токе и напряжении апериодических со- ставляющих и составляющих с частотой, отличающейся от 50 Гн. 5. PC должны обладать высокой помехоустойчивостью, ис- ключающей их ложное срабатывание от воздействия внешних и внутренних помех. 6. PC должны быть надежными и простыми в эксплуатации, иметь возможно меньшее потребление мощности в цепях тока. 11.8. РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ДИОДНЫХ СХЕМАХ СРАВНЕНИЯ АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Принципы выполнения. Полупроводниковые PC, основан- ные на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, обычно выполняются посредством сравнения этих величин после их выпрямления диодными выпрямителями. В качестве сравниваемых величин служат напряжения Ц и U2, образованные из Ц, и /р по (11.14). Принцип устройства и работы PC, построенных на сравнении двух выпрямленных на- пряжений, поясняется схемой на рис. 11.16, уточняющей схему на рис. 11.15 в части выполнения структуры УФ и схемы сравне- ния. Реле состоит из суммирующих устройств 1 и 2, формиру- ющих напряжения Ц и U2 по (11.14), двухполупериодных вы- прямителей на полупроводниковых диодах 3 и 4, образующих схему сравнения 5 на балансе напряжений или токов, и реаги- рующего органа 6, выдающего сигнал о срабатывании PC [52, 53]. Входные сигналы Up и /р поступают на входные блоки 1 и •2 (рис. 11.16). Эти блоки преобразуют Up и /р в пропорциональные им синусоидальные напряжения Up и KjJp и производят их геометрическое сложение. В результате на выходе блоков 1 и 2 появляются два синусоидальных напряжения U1 и U2. Каждое из них выпрямляется диодными выпрямителями 3 и 4. Напряжения | Ux | и | U21, полученные на выходе выпрямите- лей (или пропорциональные им токи |/х | и |/2|), подводятся к схеме сравнения 5, где вычитаются один из другого. На выхо- 385
Рис. 11.16. Функциональная схема реле со- противления на выпрямленном токе де схемы сравнения образуется напряжение | С7Вых| = I Lfi | - - |и2| или ток |1ВЬИ| = IlI - |ь|, которые поступают на вход РО 6, выполненного в виде нуль-индикатора (НИ), реагиру- ющего на знак 17вых. При |Ui| > |У2| напряжение 17вых имеет положительный знак, и РО срабатывает. В нормальном режиме напряжение L7 равно номинально- му, а ток /р равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэто- му U2 = - К/21р| превосходит ^1=|Кн/р| и PC не рабо- тает. При КЗ в зоне действия реле ток возрастает, а напря- жение 17 снижается, в результате Ц становится больше U2, и PC приходит в действие. При КЗ за пределами зоны (хотя ток /р увеличивается, 17р - уменьшается) параметры схемы PC и уставки подобраны так, чтобы напряжение 172 превосходи- ло Ulf поэтому PC не может сработать. Напряжение U1 называ- ется рабочим, поскольку под его воздействием PC срабаты- вает, а напряжение - противодействующее срабатыванию, П2 - тормозным. Таким образом, поведение реле, построенных по рассмот- ренной функциональной схеме, зависит от соотношения зна- чений сравниваемых напряжений и 1/2: реле срабатыва- ет, если U1 > U2, и не действует, если 17х < 1/2. По этой схеме можно выполнить PC с характеристиками срабатывания в ви- де окружности, проходящей через начало координат, окружно- сти с центром в начале координат или смещенной относительно него в I либо Ш квадрант комплексной плоскости, как пока- зано на рис. 11.14, а-в. На базе этой же схемы можно получить PC с эллиптической характеристикой (в виде овала). Реле со- противления, построенные на подобном принципе, использу- ются в ДЗ панели типа ЭПЗ-1636, выпускаемой ЧЭАЗ, и широко 386
применяются в отечественных энергосистемах (так как более 90% ДЗ еще находятся в эксплуатации), поэтому ниже на с 11.17 и 11.18 кратко рассматриваются конкретные схемы этих PC- Направленное PC с круговой характеристикой срабатывания (рис. U.17, б) основано на сравнении двух напряжений Uj и U2, образованных по (11.14), в которых для получения характери- стики срабатывания в виде окружности, проходящей через на- чало координат, принято, что = 0, а при I? коэффициент _ Kj. С учетом этого выражения сравниваемых вели- чин имеют следующий вид: = Kjlp, и2 = Ки у у - К} Ip. (11.15) Сравниваемые напряжения; рабочее (действующее на сра- батывание) и тормозное U2 (ему противодействующее) форми- руются преобразователями (тока!р и напряжения Пр) и сумма- тором, состоящим из вспомогательного трансформатора напря- жения TV1 и трансреактора TAV1 с двумя первичными wl и вторичными w2 обмотками. Обе пары первичных и вторичных обмоток TAV1 имеют одинаковое число витков. Каждая вторич- ная обмотка замкнута на одинаковые активные сопротивле- ния R9, R11 или RIO, R12. Примем, что рассматриваемое PC вклю- чено на Удв к = 1а - 1в (реле, включенные на фазы ВС и СА, выполняются аналогично). Напряжение L7p трансформируется на вторичную сторону TV1, образуя напряжение КцУр, где Ку - коэффициент трансформации TV1. Под действием токов 1д и Ig в каждой вторичной обмотке трансреактора TAV1 ин- дуцируются одинаковые ЭДС Е = пропорциональные разности первичных токов, сдвинутые от него на 90° (рис. 11.17, в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных об- моток возникают одинаковые токи IT = E/(R + jX) = 1р, отста- ющие от Е на угол б, определяемый отношением X и R вторич- ного контура. Напряжения у~ = у% - 1ТЕТ сдвинуты относи- тельно ЭДСЕ на угол б, так же как и ток 1т (рис. 11.17, в). С уче- том того, что 1т = /р, напряжение Здесь К/ - коэффи- циент преобразования тока 1р в напряжение Пт, представляет собой комплексную величину, сдвинутую относительно век- т°ра 1р на угол ф = 90° - б. Модуль К/ и угол сдвига ф зависят от параметров трансреактора (отношения витков Хр, ветви Намагничивания TAV, сопротивления Ет). 387
Рис. 11.17. Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления в комплекте типа ДЗ-2: а - упрощенная схема сравнения; б — схема PC; в - векторная диаграмм трансреактора; г - характеристика реле 388
Рис. 11.18. Обеспечение надежного действия реле сопротивления при КЗ в нача- ле защищаемой зоны: а - схема защищаемого участка сети; б - характеристика реле; в - схема трансреактора, обеспечивающего действие реле по памяти; г - векторная диа- грамма напряжений и тока в контуре памяти; д - затухание тока в контуре па- мяти Напряжения Uw UT (рис. 11.17, а), полученные со вторичных зажимов TV1 и ТАVI, используются для образования и U2. Рабочее напряжение = К/7р подводится к выпрямителю VS1. Тормозное напряжение U2 образуется геометрическим сумми- рованием С/н = fQ/L/p и UT =-KjIp. Полученное таким образом напряжение U2 = KyUp - Kjlp подается на вход выпрямите- ля VS2. Выпрямленные напряжения [ yt | и | U2 | сопоставляют- ся по значению в схеме сравнения на балансе напряжений. Результирующее напряжение на выходных зажимах схемы срав- нения [7ВЫХ = | 1 - | U2Реагирующий орган, подключенный к выходным зажимам, является нуль-индикатором (НИ) ЕА, реагирующим на знак UBbIx. В качестве НИ может служить высокочувствительное магнитоэлектрическое реле (см. § 2.14). последних отечественных конструкциях ДЗ нуль-индика- тор выполняется с использованием интегральных операцион- ных усилителей (ОУ) (см. §2.19). Для сглаживания пульсации 389
Пвых устанавливается частотный фильтр-пробка LtC (рис. 11.17,6), который не пропускает в ЕА переменную состав- ляющую 100 Гц. В результате этого на вход ЕА поступает LBhJI схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих выпрямленных напряжений | | и | U21, иначе говоря, разности их средних значений за период переменной составляющей (100 Гц). Реле (НИ) срабатывает при jt/J > | U2 ]. Начало дейст- вия реле характеризуется равенством | (Д | = | U21, или (ц.16) Это условие действия реле на грани его срабатывания можно выразить через Zcp. Разделим для этого обе части равенства (11.16) на Кц и /р, учтя, что Zp = Up/Ip, удовлетворяющее усло- вию (11.16), является Zc p: I kJ Up КиГ После преобразования получим = = ^- (11.16а) - K[J Уравнение (11.16а) является характеристикой срабатывания направленного PC, имеющего форму окружности, проходящей через начало координат (см. рис. 11.14, б). Радиус этой окруж- ности R равен вектор jfr/Kn определяет положение центра окружности относительно начала координат на комп- лексной плоскости R, ]Х с заданной уставкой Zy. Сопротивление срабатывания Zc-p направленного PC непо- стоянно, изменяется с изменением фр (угла сопротивле- ния Zp), что видно из рис. 11.17, г. При (рр = фм ч сопротивление Zc_p имеет максимальное значение Zc_p max = Zp = Угол вектора Zc.p таХ равен углу вектора К/, это означает, что Ч’м.ч * = 90° - 6 и определяется параметрами X и R трансреакто- ра TV1 (рис. 11.17,а). При всех других значениях срр * Фм.ч, Zc.p = Zc p maxcos^w.4 " - Фр) = 2-^-cos(ipM.4 - фр). 390
Уставка срабатывания Zy направленного PC задается моду- лем ^с.ртах = 2|к^| В конструкции реле предусматривается регулирование уставки Zy изменением значений Ку и модуля Это осуществляется изменением коэффициента транс- формации TV1 (изменением числа вторичных витков) и числа витков первичной обмотки ТА VI. Угол вектора Zc.p/nax = Zy, т. е. (рм>ч изменяется подключе- нием сопротивлений R9-R12: включение R9 и R11 соответст- вует фм.ч - 65°, a R10 и R12 - (рМ1Ч = 80°. Регулирование должно производиться как в рабочем, так и в тормозном контуре схе- мы одинаково для обеспечения равенства Кц = Kl2, Соответ- ствующие переключения при этом выполняются и в цепи пер- вичной обмотки TV1 изменением числа ее витков. Мертвая зона и зона нечеткого действия реле. При КЗ в не- посредственной близости от места установки ДЗ (рис. 11.18, а) направленное PC может отказать в работе при КЗ в точке К1 или сработать неселективно при КЗ в точке К2. Причиной не- правильной работы является нарушение условия действия PC, определяемого выражением (11.16а), вызванное снижением до нуля напряжения 1/р (при близких КЗ), а также неточным равенством коэффициентов и Kl2 преобразования тока /р трансреактора ТАVI (см. рис. 11.17, а). В результате характери- стика реле может сместиться в I или III квадрант, что приведет соответственно к отказу или неселективному действию реле при КЗ в зоне смещения характеристики (точки К1 и К2 на рис. 11.18, а). Для устранения мертвой зоны и зоны нечеткой работы реле в рабочий и тормозной контуры реле вводятся дополнительно по значению одинаковые ЭДС ’’памяти” Е~, создаваемые трансреактором TAV2. С учетом этого условие срабатывания реле (11.16) примет вид Isip + Еп| > - Kjlp + Еп|, (11.17) а при близких КЗ, когда Up - 0, условие (11.17) превращается в следующее: Ifin + Kj2p|>|En-KiIp|. (11.17а) 391
При этом условии PC работает, как РНМ с поляризующим на- пряжением Еп (вместо Up = 0), с характеристикой срабатыва- ния, приведенной на рис. 11.18,6. Чтобы сохранить круговую характеристику при всех КЗ, при которых L р > 0 с добавлением дополнительной ЭДС по (11.17), последняя должна совпа- дать по фазе с l/р и иметь возможно меньшее значение - не превышать 2-3% нормального уровня Г'р и оставаться неизмен- ным при №2) между фазами, напряжение которых Ц, подводит- ся к данному PC. Для выполнения этих условий на вход TAV2 (рис. 11.17, а) подается напряжение фазы, не подводимой к TV1. Например, если Up = UAB, то Un = UCo. Поскольку напря- жение Uc сдвинуто относительно междуфазного напряжения повредившихся фаз (UAB) (рис. 11.18, г), чтобы обеспечить совпадение по фазе вторичной ЭДС Еп с Ц>, в иепь первичной обмотки TAV2 введен конденсатор С6, емкостное сопротивле- ние которого в сочетании с индуктивностью первичной об- мотки трансреактора образует резонансный контур, настроен- ный в резонанс при f = 50 Гц. При такой схеме ток в первичной обмотке/п совпадает по фазе с напряжением Сп = Uco-> подве- денным к TAV2, а вторичная ЭДС Еп отстает на 90° от вызвав- шего ее тока/п и совпадает по фазе с Up = UAb- При трехфазных КЗ, когда все напряжения снижаются до нуля, ЭДС Ер поддерживается некоторое время за счет разря- да конденсатора С. При этом ЭДС памяти создает быстро зату- хающий ток 1с в обоих контурах (рис. 11.18, д), обеспечивая работу PC при исчезновении напряжения. По рассмотренной схеме (рис. 11.17, а) ЧЭАЗ выпускает PC, используемые в качестве ДО I и 11 ступеней в РЗ типа ЭПЗ-1636. Третья ступень в комплекте этой защиты осуществляется с помощью PC типа КРС-1, схема которого приведена на рис. 11.19, а. Условие срабатывания реле КРС-1: kc/Up-K/il* Для устранения мертвой зоны и четкой работы при малых значениях 17р (при близких КЗ) характеристика срабатывания ре- ле - окружность смещена в Ш квадрант на 6-12% Zc.p (в тормоз- ной контур реле вводится резистор R14). Конструкции обоих PC подробно рассмотрены в [30]. Выполнение заданной устав- ки Zc_p осуществляется изменением числа витков первичных 392
*/¥ а. <Г Рис. 11.19. Принципиальная схема PC в комплекте типа КРС-1: а - упрощенная схема, сравнения; - схема PC; в - характеристика сра- батывания направленного PC 393
Рис. 11.20. Схема нуль-индикатора на операционных усилителях обмоток ТА VI и числа витков вторичной обмотки TV1 (рис. 11.19, б). В качестве НИ, реагирующего на знак тока в реле сопротивления ДЗ-2 и КРС-1, первоначально использовалось магнитоэлектрическое реле. Однако вследствие несовершен- ства его конструкции завод заменил его на НИ на полупровод- никовых реле с ОУ (см. гл. 2 и рис. 11.20). Направленное PC с эллиптической характеристикой сраба- тывания. С помощью PC III ступени РЗ типа ЭП1636 (рис. 11.19, б) может быть реализована круговая и эллиптическая характери- стика (см. рис. 11.14, г), обеспечивающая лучшую отстройку ДО от токов нагрузки. Для получения эллиптической характери- стики срабатывания PC используется дополнительная цепоч- ка, состоящая из диода VD8 и активных сопротивлений Я25- R27 (рис. 11.19,6). Эта цепочка шунтирует РО, срезая положи- тельные полуволны переменной составляющей разности мгно- венных значений L\ и U2, благодаря чему и обеспечивается эллиптическая характеристика срабатывания реле, показан- ная на рис. 11.14, г и 11.19,в. Как видно из диаграммы, пострсенной на рис. 11.19,6, точ- ки С и 0 характеристики PC получаются, когда векторы и U2 либо совпадают по фазе, либо сдвинуты на угол 180°. В обо- их случаях переменные составляющие на выходах VS1 и VS2 совпадают по фазе и, следовательно, их разность, приклады- ваемая к сглаживающему фильтру и НИ, близка к нулю. Когда вектор U2 сдвинут относительно вектора на 90е (точки Е и D на рис. 11.19,в), соответственно сдвинуты и мгновенные значения напряжений на выходах диодных мостов VS1 и VS2. Переменная составляющая разности мгновенных значений 394
этих напряжений, приложенная к сглаживающему фильтру и НИ, получается в этом случае максимальной. Шунтирование переменной составляющей через цепочку VD8-R25-R27 равно- сильно уменьшению тока в НИ, действующего в сторону сра- батывания. В результате рабочее напряжение уравновешива- ется меньшим значением U2 и характеристика срабатывания PC сжимается (точки D и Е смещаются в положения D' и Е') (рис. 11.19, в). Промежуточным значениям углов между и U2 соответствуют точки характеристики, располагающиеся на”эллипсе с осями ОС и D'E' (рис. 11.19, в). Регулировка эллип- сности осуществляется с помощью сопротивлений R25-R27. Для уменьшения вибрации НИ при работе PC с эллиптической характеристикой параллельно НИ подключен конденсатор 05. Реле сопротивления с характеристиками в виде окружности, смещенной относительно начала координат. Если принять в (11.15), определяющем характер связи l/j и 1/2 с 1/р и 1р, * Kl2, то характеристика PC будет изображаться окружностью, смещенной относительно начала координат при Kjt > Ki2 в сто- рону III квадранта, а при Кц < Kl2 - в сторону I квадранта. Если же принять Kj2 = 0, получим a U2 = fQ/2Up - харак- теристика в виде окружности с центром в начале координат. 11.9. РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА СРАВНЕНИИ ФАЗ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА ИМС Принцип построения и способы сравнения фаз. На сравне- нии фаз двух величин можно получать PC с характеристиками срабатывания в виде окружности, прямой линии и в виде эл- липса [47]. В качестве сравниваемых величин используются напряже- ния L/j и U2, образованные по (11.14) и связанные с сопротивле- нием на зажимах реле Zp уравнениями (11.14а): У. = «U, ир + K;iIp = KUt JpCZp - Z,); , (11.18) -2 = К1/2Ур + Slip = ~ ?2)- 1 _ Zll K;2 Векторы сопротивлений Z. -------и Z, ---------являются KU1 Ku2 постоянными величинами, определяющими положение и фор- МУ характеристики срабатывания на комплексной плоско- 395
Рис. 11.21. Принцип сравнения фаз двух электрических величин для выполнения реле сопротивления: а — векторная диаграмма; б — диаграмма сравниваемых напряжений сти Z, часто называемыми векторами особых точек. Активные и реактивные составляющие этих векторов явля- ются координатами двух ’’особых точек”, через которые долж- на проходить характеристика реле. Схема PC, построенного на сравнении фаз, должна осуществлять измерение угла ф меж- ду Ц и U2 и сравнение его значения с заданными углами i|>t и ф2, определяющими границы угла ф (рис. 11.21, а), в пределах которых реле должно срабатывать: 4>i < ф < Фг. (11.19) Для определения граничных условий срабатывания по вы- ражению (11.19) в отечественных PC используются схемы срав- нения (СС), построенные на времяимпульсном принципе. Времяимпульсный принцип пояснялся в гл. 2 при рассмот- рении устройства органов направления мощности. По этому принципу сравнение фаз двух напряжений и U2 осуществля- ется косвенно измерением, а затем сопоставлением времени совпадения и несовпадения их мгновенных значений. На рис. 11.21, б показаны синусоиды мгновенных значений Ui = и и2 = Um2sin(tit - ф). сдвинутые по фазе и* угол ф. В заштрихованной части положительного полупериоД® знаки мгновенных значений и и2 одинаковы, а в неза- штрихованной - различны. В отрицательном полупериоде Ui картина совпадения и несовпадения повторяется. Угол несо- 396
падения знаков <рнс = ф (углу сдвига фаз), угол совпадения = я _ се. Этим значениям (фнс и фс) соответствуют времена тс несовпадения и совпадения: (нС = <₽нс/ш = = л-ф/w- (11.20) Из (П-20) следует вывод, что, измерив значения tHC и Гс, можно однозначно определить значение сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями (Ц и U2). Условие срабатывания PC определяется значением *нс(*с) t (заданная уставка) либо соотношением длительностей им- пульсов несовпадения и совпадения tHC к tc (или tc к Гнс), на- пример tHC < tc (или наоборот). В первом случае реле срабатывает, если > ty, и не дейст- вует, если tHC < ty. Заданному значению ty соответствует наи- меньший угол сдвига фаз между Ц и U2 : Фс.р = Фу = *У°- Во втором случае задается значение К в выражении > ? Ktc. Для получения круговой характеристики PC принимается ty = 774 = 0,005 с, К = 1. При этом (нС = (с. Тогда условие срабаты- вания PC (11.18) для первого и второго вариантов примет вид: -п/2 ф п/2. (11.21) Функциональная схема устройства сравнения фаз (УС), по- строенного на времяимпульсном принципе, и диаграммы, характеризующие его работу, приведены на рис. 11.22 и 11.23. Устройство сравнения УС (рис. 11.22) содержит блок 1 ФИН, формирующий импульсы напряжения, характеризующие про- должительность времени и (с сравниваемых величин, и блок 2 РО, сравнивающий длительность импульсов с задан- ным ty или друг с другом. Блок 2 действует на выходной эле- мент 3, формирующий сигнал срабатывания реле. Блок 1 фик- сирует совпадение и несовпадение знаков мгновенных значе- ний входных напряжений Vt и U2 и образует выходные сиг- налы в виде прямоугольных импульсов напряжения разных полярностей, показанных на рис. 11.23, а. В течение времени, когда знаки мгновенных значений Ux и U2 совпадают, выходной сигнал блока 1 имеет положительный знак + Uc, а во время их несовпадения - отрицательный знак - UHC. Продолжитель- 397
Рис. 11.22. Структурная схема устройства сравне. ния фаз Рис. 11.23. Диаграмма, поясняющая принцип действия устройства сравнения фаз: о, в - КЗ вне зоны; б, г - КЗ в зоне 398
ность сигнала + Uc равна времени совпадения tc, а сигнала _ у - времени tHC. Эти сигналы (+ Uc - tc и - l/HC = tHC) посту- пают на вход блока 2, который сопоставляет длительность вход- ных сигналов, определяя таким образом соотношение вре- мен tc и tHC, а затем сравнивает tHC с заданным временем ty ли- бо с Ktc. Блок 2, действующий по первому варианту, принято называть РО1, а по второму - РО2. Блоки 2 и 3 рассматривают- ся иногда как единый орган сравнения, включающий в себя измерительный и выходной элементы. 11.10. СХЕМЫ ТРЕХ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ PC, ПОСТРОЕННЫХ НА СРАВНЕНИИ ФАЗ реле сопротивления состоит из функциональных элементов, входящих в состав общей структурной схемы PC (см. рис. 11.15) и структурной схемы (рис. 11.22). Схемы этих элементов одно- типны, они применяются с небольшими изменениями в реле на сравнении фаз двух, трех и четырех сравниваемых величин. Преобразователи напряжения и тока воспринимают сигналы (17р и /р), поступающие от TH и ТТ, уменьшают их и превраща- ют в напряжения, пропорциональные С'р и 1р и совпадающие с ними по фазе. В качестве преобразователей используются промежуточные TH (ПТН) и ТТ (ПТТ), их упрощенные схемы приведены на рис. 11.24. Промежуточные TH. Первичная обмотка промежуточного ПТН (рис. 11.24, а) включается на междуфазное напряжение Up - имф. Вторичное напряжение на зажимах 1 и 2 ПТН UBba = Кн1/р, где Кн - коэффициент преобразования (трансформа- ции ПТН) UBX в 1/вых. Промежуточное TH работает в режиме, близком к холостому ходу, поэтому Кк ~ UBblx/UBX - w2/wt и выбирается таким, чтобы С/вых не превышало значения, допу- стимого для полупроводниковых элементов схемы. Вторичная обмотка ПТН обычно замкнута на делитель напряжения R. Изменение уставки срабатывания PC осуществляется двумя способами: ступенями - изменением ответвлений на Wj и плавно - изменением сопротивления R: = -Крег(КнЦ)) = Кпри (11-22) где Крег = 1, если движок делителя находится в точке 1'; Кпрс/ = = КрегКн - результирующий коэффициент преобразования Up. 399
в) 2 Рис. 11.24. Промежуточные измерительные трансформаторы: о — напряжения; б — тока; в — тока (применяемый в ЛЗ, выпускаемой ЧЭАЗ) Промежуточные ТТ. Первичная обмотка ПТТ состоит из двух секций с одинаковым числом витков и?х. Каждая секция включается на ток соответствующей фазы (в ДЗ от междуфаз- ных КЗ - по табл. 11.1) так, чтобы создаваемые ими МДС были направлены встречно (рис. 11.24, 6). Преобразователи тока долж- ны преобразовывать входной ток 1р в пропорциональное ему вторичное напряжение С'птт s 1р, для чего вторичная обмот- ка ПТТ замыкается на резистор R (рис. 11.24, б), с которого сни- мается Ь'вых = 1ВЫХЯ. С учетом коэффициента трансформа- ции Кт получим t/дтт = 4ых* = ЦВ = Ip~R = КирНр, (11.23) w2 где Кпр; = -уЯ. 1*2 Как и в ПТН, регулирование уставки может осуществляться ступенчато - регулированием Кт либо плавно - изменением К. 400
На рис. 11-24, в изображена схема ПТТ, применяемая в ДЗ ШДЭ-2801, выпускаемой ЧЭАЗ. Выходное напряжение снима- ется с делителя R1 и R2, средняя точка которого соединяется с нулевой шинкой. Потенциалы точек 1 и 2 имеют противопо- ложную полярность относительно нулевой шинки. Это позво- ляет получить два напряжения разной полярности (+ UTl и -17- )’ которые, как было показано в § 11.7, необходимы для получения особых точек, определяющих характеристику сра- батывания. Регулирование уставки PC производится включе- нием параллельно делителю R1-R2 резисторов R4 и R5 переклю- чателями SB1 и SB2. В схеме установлен варистор R3, сопротивление которого уменьшается с увеличением приложенного к нему напряже- ния. При больших токах 1р варистор ограничивает уровень UBblx. Общим требованием для всех преобразователей является точ- ность преобразования, которая обеспечивается при работе пре- образователей в линейной части характеристики 1/вЫх = /(1/вх). Выходное напряжение ПТН и напряжения с выхода ПТТ ц. и ПТ2 передаются на следующий элемент ИО, формирующий из этих напряжений сравниваемые напряжения по (11.14). Устройство формирования сравниваемых напряжений (УФ). Получив с выхода ПНТ и ПТТ преобразованные значения и 1р в виде напряжений KnpUUp и Кпр11р, устройство формиро- вания производит их сложение с помощью сумматора, постро- енного на инвертирующем ОУ (рассмотренном в § 2.5). В ре- зультате этой операции на выходе сумматора должно быть по- лучено одно из п сравниваемых напряжений типа U2, ..., построенных по выражениям (11.14), например напря- жение U,: У, = U- t- (11.24) Координаты особой точки на плоскости Z, соответствующей данному напряжению Uj, как уже отмечалось, определяются вектором сопротивления Zj = . Как видно из рис. 11.25, напряжения с промежуточных транс- форматоров ПТН (TVL) и ПТТ (TAL) передаются на инвертиру- ющий вход ОУ по отдельным цепям, в которые включаются (в общем случае) комплексные сопротивления и Z2, а в цепь ОС вводится сопротивление Zoc. Неинвертирующий вход со- единяется с нулевой точкой. При появлении на И-входе напря- 401
Рис. 11.25. Схема сумматора-формирователя сравниваемых напряжений: о — общая схема; б — схема, применяемая в ДЗ ЧЭАЗ; в — координаты осо- бой точки 1 жений от промежуточных трансформаторов ОУ осуществляет их суммирование с усилением каждого входного сигнала в Кп раз (где Кп - коэффициент передачи, равный коэффициенту усиления инвертирующего ОУ). Его значение (см. § 2.5) опре- деляется отношением сопротивления ZqC к сопротивлению цепи, по которой поступает данный сигнал. В рассматриваемой схеме для сигнала от ПТН Кпптн = а для сигнала, идущего от ПТТ, КпПТТ = Zoc/Z2. В результате сложения входных сигналов с умножением их на удельный коэффициент передачи Ку.п на выходе суммиру- ющего ОУ формируется заданное напряжение, например Ц, в соответствии с (11.24) и (11.14): й = = - рпр и й ( + KnP/Jp(^)]-(4.25) Сопоставляя (11.25) и (11.24), можно установить, что в сформи- рованном напряжении Ц- коэффициенты Ку,- и Кц имеют сле- дующий вид: «и, = -«при —; Кц = -кПр,-^, (11.25а) 402
а ректор особой точки j К-пр I Лпр и Z2 (11.256) Аналогично формируются все остальные п - j сравниваемые величины. Количество формируемых величин (напряжений типа Ц) зависит от формы характеристики срабатывания (на- пример, для окружности п = 2, для четырехугольника п = 4). Из (11.25) и рис. 11.25, а следует, что коэффициенты при (У и I реализуются посредством коэффициентов преобразования напряжения и тока (Lp и /р), применяемых в вспомогательных измерительных трансформаторах, и сопротивлений Zt, Z2 и Z2 в цепях тока и напряжения сумматора на ОУ. Эти величины определяются при разработке дистанционных органов зашиты и остаются неизменными в процессе эксплуатации. Эксплуата- ционный персонал может регулировать только уставки ИО. Коэффициенты Куу в (11.14) являются действительными чис- лами и реализуются в виде сопротивления резисторов 2?н, а коэффициент Ку должен быть комплексной величиной и реализовываться активным сопротивлением резистора Rr и реактивным сопротивлением X, обычно выполняемым в виде конденсатора С X = ) (рис. 11.25,6). Активные и реак- \ / тивные составляющие К^ определяют значения координат jX nR особых точек, например точки 1, показанной на рис. 11.25, в. Из (11.25а) следует, что коэффициенты К^ и Ку образуются с помощью входных сопротивлений в схеме сумматора (Z15 Z2, Z3) и параметров элементов ПНТ и ПТТ. Определив значе- ния и К/у, можно найти значение Zj и координаты особой точки j на комплексной плоскости R, jX, В общем случае положение точки на комплексной плоскости определяется вектором комплексного сопротивления Zn = s Необходимые значения К^п и К/п для получения требуемого (Уп находятся по (11.256) соответствующим подбором величин, определяющих эти коэффициенты. Для образова- ния Ку в выражениях (11.14) и (11.14а) служит резистор RH, включенный в цепь, питаемую напряжением ПТН, а для обра- зования К/ - резистор R- (рис. 11.25) и конденсатор Хс. По ти- повой схеме на рис. 11.25 выполняются сумматоры напряже- ний и U2, а значения этих напряжений и коэффициентов 403
KUn и *ln определяются выражениями (11.25). С выхода сумма- торов УФ п сформированных напряжений Ц - Un поступают на схему сравнения их фаз. Схема сравнения фаз СС. применяемая в отечественных ДО обычно выполняется на времяимпульсном принципе. В § 11.10 пояснено, что условием срабатывания подобного ДО является наличие непрерывного (в течение не менее полупериода про- мышленной частоты) несовпадения знаков мгновенных значе- ний п сравниваемых величин. С учетом этого рассматриваемая схема сравнения состоит (рис. 11.26, а) из формирователя импульсов несовпадения ФИН, выявляющего длительность несовпадения знаков сравнива- емых напряжений - Un, поступающих на вход СС, и реаги- рующего органа РОУ на вход которого приходит сигнал ФИН о наличии несовпадения знаков L/j - Un. Реагирующий орган сравнивает длительность этого сигнала tHC с заданной вели- чиной ty или с длительностью сигнала о совпадении tc. Схема сравнения выдает сигнал о срабатывании ДО, если tHC ty. Формирователь импульсов несовпадения (рис. 11.26,6). Ос- новными элементами схемы ФИН являются: двухполупериод- ный диодный селектор (избиратель) положительных и отрица- тельных сигналов, выполняемый на основе диодной сборки VD', VD'2, ..., VD'n (селектор положительных сигналов) и сбор' 404
ки ур", VD2, ...» (селектор отрицательных сигналов) и опе- рационный усилитель ОУ, формирующий выходные сигналы (импульсы напряжения отрицательного знака при несовпаде- нии знаков сравниваемых величин и положительного - при их совпадении). Инвертирующий вход 1 ОУ подключается к се- лектору положительных сигналов и напряжению источника питания отрицательной полярности -Еп = 15 В в точке т де- лителя напряжения R1-R3, а неинвертирующий вход 2 ОУ - к селектору отрицательных сигналов и напряжению источ- ника питания положительного знака +ЕП = 15 В в точке п де- лителя R2-R4. Для получения необходимых уровней напряже- ния в точках тип делителей напряжения значения их сопро- тивления выбираются по условию RI = R2, R3 = R4f при этом R3 и R4 » R1 и R2. Между точками тип делителей и входами 1 и 2 ОУ подклю- чены диоды VD1, VD2, которые ограничивают уровень напря- жения на входе ОУ. Диод VD1 открывается только при Появ- лении положительного входного напряжения на шинке возникающего под воздействием мгновенного значения вход- ного сигнала, достаточного для открытия диодов VDl'-VD^. Аналогично под воздействием отрицательного входного напря- жения открывается диод VD2. Рассмотрим кратко работу схемы ФИН в режиме совпадения знаков входных сигналов и при их несовпадении. Следует учесть, что ОУ включен по дифференциальной (без ОС) схеме и поэтому работает в нелинейной насыщенной части входной характеристики. При появлении входного напряжения (JBX = = U2- L’i выходное напряжение ОУ 17вых = ± UOy max = 12-5-13 В. Знак 1/вых определяется знаком U2 - : при + U2 > Щ [Увых имеет положительный знак; при > U2 - отрицательный. При несовпадении знаков мгновенных значений сравнива- емых напряжений на вход селектора поступают одновременно разнополярные сигналы. Под действием наибольшего напря- жения положительного знака открывается соответствующий диод положительного селектора (например, если наибольшим в данный момент является + U2, то открыт диод VD2). В этот же Момент времени наибольшее входное напряжение отрицатель- ного знака откроет один из диодов VD1,'..., VD„ селектора от- рицательной полярности. Под действием появившихся на вы- ходе с5+) и С(_) напряжений откроются диоды VD1 и VD2 соот- ветственно. 405
С учетом этого напряжения на инвертирующем входе I ц неинвертирующем 2 будут равны падению напряжения в откры- тых диодах VD1 и соответственно в VD2, но различными по зна- ку (на входе 1 ” + на входе 2 ”-”). Напряжения = +AUovdj» ^2 = а дифференци- альное входное напряжение U2 - Ut = - ДЦ, VD1 - (+ Д[/о а = -2AU0 ум. В соответствии с этим на выходе ОУ установится напряжение отрицательного знака (7ВЫХ = - Cfoy mQX. Рассматривая схему на рис. 11.26,6 при совпадении знаков входных сигналов (сначала положительных, а затем отрица- телььных) и определяя, как и в предыдущем режиме, работу селектора и диодов VD1 и VD2, можно показать, что входное напряжение U2 - будет иметь положительный знак, соответ- ственно положительным по знаку будет выходной сигнал ОУ: ^вых в + ^'оу max • Из приведенного рассмотрения следует, что на выходе схе- мы ФИН при несовпадении знаков сравниваемых напряжений появляется сигнал отрицательного знака, а при совпадении - сигнал положительного знака. Эти сигналы поступают на реагирующий орган (РО) схемы сравнения, где на основе их сопоставления выдается соответ- ствующий сигнал (о действии или недействии ИО сопротив- ления ДЗ). Таким образом, в течение каждого полупериода изменения и U2 на выходе схемы ФИН появляется положительный сигнал 17вых = + Uz при совпадении знаков сравниваемых величин и отрицательный сигнал - во время их несовпа- дения. Продолжительность положительного сигнала равна времени совпадения Jc, а отрицательного - времени несовпа- дения tKC = Т/2 - tc. Выходные сигналы отрицательной и поло- жительной полярностей поступают на вход схемы РО, произ- водящего сравнение их длительности. Реагирующие органы. При рассмотрении структурной схемы формирования импульсов отмечалось, что имеется два вари- анта исполнения реагирующего органа: РО1, в котором осуще- ствляется сравнение времени несовпадения tHC с заданным временем (уставкой) ty, и РО2, сравнивающего tHC с tc. Реагирующий орган РО1 (рис. 11.27, а). Схема РО1 состоит из элемента выдержки R1-C1 (с tc,p до 0,1 с), транзистора VT1, входного и выходного логических элементов И-НЕ (выпол- няющих функции инвертора), DI, D2 и диода VD2, разреша- 406
Рис. 11.27. Реагирующие органы: а — по схеме РО1; б — по схеме РО2 ющего при несовпадении знаков сравниваемых напряжений пуск элемента задержки. При совпадении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений с выхода ФИН на вход реагирующего органа поступает сигнал + С/с (логическая 1). При этом диод VD1 открывается, на выходе D1 появляется сиг- нал на уровне логического 0, потенциал в точке 1 имеет нуле- вой уровень, VT1 открывается, потенциал в точке 2 становит- ся равен логическому 0, а на выходе D2 логической 1. Это означает, что ИО не действует. Конденсатор С1 разряжен, так как потенциал на его обкладках равен нулю. При несовпадении знаков мгновенных значений сравнива- емых напряжений на входе схемы появляется сигнал отри- цательного уровня - С/Нс (логический 0). В этом случае VD1 закрыт и на входе инвертора D1 присутствует сигнал, рав- 407
ный 0, а на выходе сигнал 1; потенциал точки I (а следователь-Я но, и базы VT1) равен падению напряжения в открытом дио-Ж де VD2, транзистор остается открытым, на выходе схемы со- » храняется единичный сигнал. Конденсатор С1 начинает заря. •< жаться током, проходящим от источника питания через R2 < и R1. Потенциал точки ! (базы VT1) постепенно увеличивает- $ ся, и, когда он становится равным потенциалу эмиттера, трап- ; зистор закрывается, потенциал точки 2 повышается до 1 D2 переключается, его выходной сигнал изменяется с 1 на ло- гический 0, что соответствует срабатыванию PC. Это происхо- дит при условии, что tHC > Гу. Схема возвращается в исходное состояние, как только сно- ва наступает совпадение сравниваемых величин, благодаря снижению практически до нуля потенциала точки 1 и проис- ходящему вследствие этого разряду конденсатора С1 по кон- туру, образованному диодом VD2 и связанным с нулевой шин- кой выходному контуру D1. Время замедления ty задается со- противлением резисторов R2 и R1 на уровне Юме. Напряжение срабатывания определяется порогом переключения инвер- тора D2. Реагирующий орган типа РО1 используется в PC II и III ступеней в ДЗ ШДЭ-2801. Для I ступени обычно приме- няется РО2. Реагирующий орган РО2 имеет большее быстродействие (около Т/4). В этом органе осуществляется сравнение времени несовпадения tHC с tc (рис. 11.27,6). Схема состоит из выпрями- теля VS; стабилитрона VD7, уравнивающего значения отрица- тельных и положительных входных сигналов; интегратора А1 на ОУ (см. §2.19), сопоставляющего длительность сигналов (- tHC и + Гс); порогового устройства в виде логического элемен- та D1, работающего в режиме ключа и выдающего сигнал сра- батывания реле при tHC > tc. Выходные импульсы напряжения (+ Ис и - Пнс) проходят через выпрямитель, и с помощью стаби- литрона VD7 их амплитуды стабилизируются на одинаковом уровне Uc ~ [7НС. Постоянство и равенство значений обоих им- пульсов необходимо для обеспечения стабильности характе- ристик PC. При несовпадении знаков сравниваемых напряже- ний отрицательный сигнал в виде выпрямленного и стабили- зированного отрицательного напряжения - Снс поступает через диод VD5 и резистор R3 на И-вход I операционного уси- лителя А1. 408
Под действием этого напряжения начинается заряд конден- сатора С1 через сопротивление R3, и на выходе ОУ интегратора возникает положительное напряжение, противоположное по знаку напряжению на входе ОУ. По мере заряда конденсато- ра Qi напряжение (7ИНТ = Ua нарастает и поскольку в началь- ной части экспоненциальная характеристика заряда практи- чески прямолинейна, то Синт = Uci ~ *нс- При достижении на- пряжением (/ci значения порогового напряжения 17п логиче- ского элемента D1 на выходе последнего появляется сигнал, означающий, что PC сработало. Во время совпадения знаков и U2 входное положительное импульсное напряжение + Uc после выпрямления и стабили- зации через диод VD6 и R2 поступает на И-вход ОУ. Напряже- ние на обкладках конденсатора меняет полярность, и с этого момента начинается разряд конденсатора (или, иначе говоря, его заряд в обратном направлении) через R2. В процессе разря- да напряжение на конденсаторе Д(7ст уменьшается пропор- ционально времени tc. Для действия PC необходимо, чтобы за время tHC = Ktc (при котором отношение fHC/tc = К = 1) Uc до- стигло 17п (порога срабатывания D1). Скорости заряда и разря- да С1, определяющие соотношение tHC и tc, зависят от значе- ний R3 и R2, которые подбирают исходя из заданных значе- ний К. Предусмотрена возможность изменения R2 переключа- телем. Для получения характеристики в виде окружности необхо- димо иметь К = 1 или tHC = tc. В этом случае R2 = R3. При R2 * $ R3 характеристика принимает вид овала. 11.11. РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СО СЛОЖНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СРАБАТЫВАНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ НА ИМС Виды и особенности сложных характеристик. Сложными принято называть характеристики, имеющие форму много- угольника либо образованные из сочетания дуг окружностей с отрезками прямых (рис. 11.28). Сложные характеристики по сравнению с круговыми и эл- липтическими позволяют повысить чувствительность PC к повреждениям через переходное сопротивление Rn и увели- чить их зону действия на протяженных ЛЭП, обеспечивая при э?ом отстройку от сопротивлений в максимальных нагрузоч- 409
Рис. 11.28. Виды сложных ха. рактеристик ных режимах. Реле со сложными характеристиками выполни- ются на сравнении фаз или абсолютных значений трех, четы- рех напряжений, образованных по (11.14). Практическое приме- нение нашли характеристики в форме четырехугольника, треугольника и комбинированная в виде сочетания окружно- сти с четырехугольником. Реле с четырехугольной характеристикой, выполняемое с помощью двух PC (PCI и РС2), соединенных по схеме И (рис. 11.29, а). Оба реле основаны на сравнении фаз двух напря- жений, пропорциональных 17р и 1р. Характеристика срабатыва- ния каждого реле имеет вид двух пересекающихся прямых (рис. 11.29,6). Из их сочетания образуется четырехугольная характеристика ABCD желаемой формы. Зона действия каждо- го реле отмечена штриховкой. Выходные сигналы о срабатыва- нии схем сравнения реле РС1 и РС2 действуют на логический элемент И. Сигнал на его выходе возникает только при одновре- менном срабатывании РС1 и РС2. В этом случае вектор 2^ = = Ц)//р будет находиться внутри четырехугольника ABCD. Если же конец вектора выходит за пределы четырехуголь- ника (например, Zp = Zp), работает только одно из двух реле, выходной сигнал на элементе И отсутствует - комбинирован- ное реле не действует. На таком же принципе можно получить четырехугольную характеристику из сочетания PC, основанных на сравнении абсолютных значений, но в этом случае требуется использо- вать четыре реле с характеристиками в виде прямых линий (АВ, СВ, CD, DA), действующих по логической схеме И. Ком- бинированные PC получаются сложными, многоэлементными, недостаточно быстродействующими. 410
Рис. 11.29. Реле с четырехугольной характеристикой: а — структурная схема; б — характеристика реле; в — PC с общей СС Реле сопротивления ДЗ с четырехугольной характеристикой, выполняемое на сравнении фаз четырех величин в одной схеме сравнения. В основу построения подобного ИО в отечественных ДЗ положена структурная схема, упрощенно показанная на рис. 11.29,в с одной схемой сравнения, осуществляющей одно- временное сравнение фаз нескольких величин - в данном слу- чае четырех. Сравниваемые величины (в виде напряжений - 174) формируются, как обычно, по (11.14а): L'i = KU1lp^Zi’, Zi = и2 = ки2ур + Kl2Ip = KU2I^ZP-ZJ = Ku2lp bz2, Z2 = ~^I2/KU2^ V, = KU3UP + K/3lp = KU3/p(Zp -Z3) = KU3 lpAZ3; (lt26) Z3 = -&з/ки3; = KU4Up + Kl4Ip = KVaIp(Zp - z4) = kVaip\za- Z< = -^4/КЩ. В этих уравнениях сопротивления Z15 Z2, Z3, Z4 определяют положение особых точек ХС. Характеристиками срабатывания у четырехугольника с особыми точками, определяющими его форму, площадь дей- ствия реле на комплексной плоскости R, jX (и соответствуй 411
Рис. 11.30. Векторные диаграммы для реле сопротивления с четырехугольной характеристикой: а — при КЗ в зоне; б — при КЗ вне зоны ющую ей зону действия ИО на контролируемом им участке сети), являются четыре вершины 1, 2, 3, 4, показанные на рис. 11.30, а. Поэтому при формировании напряжений Ц - UA коэффициенты KUt - Кщ и - К1а должны быть подобраны так, чтобы особые точки совпадали с вершинами заданного четырехугольника, показанного на рис. 11.30, а. Из (11.26) сле- дует важный вывод о том, что фазные соотношения (иначе говоря, сдвиги фаз) между векторами сравниваемых напряже- ний 17п U2, U3> V4 соответствуют (а точнее, равны) фазным соотношениям между векторами (Zp - ZJ, (Zp - Z2), (Zp - Z3), (Zp - Z4). Положение последних будет изменяться с измене- нием конца вектора Zp = 17р//р, которое зависит от режима контролируемой сети. Для выявления фазных соотношений пРи которых ИО должен срабатывать, рассмотрим, как будут изменяться фазные соотношения векторов (Zp - -ZJ,..., (Zp -Z4) при повреждении в зоне действия, охваченной четырехугольной характеристикой, когда Zp = Z', и вне ее при Zp = Z". Как видно из векторной диаграммы на рис. 11.30, а, в первом случае (соответствующем КЗ в зоне действия ИО) угол я меж* ду крайними векторами рассматриваемой системы векторов (разности двух сопротивлений), а следовательно, и векторов - У4 всегда больше 180° (а'> и). Во втором случае, соответ- 412
Рис. 11.31. Временные диаграммы функционирования схемы сравнения с реаги- рующим органом РО1: а - КЗ вне эоны; б - КЗ в эоне ствующем КЗ вне зоны действия ДЗ (рис. 11.30, б), угол а" меж- ду крайними векторами всегда меньше 180° (а" < л). В третьем случае - при КЗ на границе срабатывания защиты угол сг = - 180° (на рис. 11.30 не показан). В каждом из перечисленных случаев углы сг между пучком векторов - U4 будут такими же, как между пучками векторов сопротивлений. Это означа- ет, что по фиксации факта расположения векторов - U4, осуществляемой в схеме сравнения при а > 180°, на выходе схемы появится сигнал о срабатывании PC (ДО), а при а < 180° - сигнал о недействии реле (ДО). Обнаружить отмеченные фазные различия в процессе срав- нения фаз можно, сопоставляя знаки мгновенных значений синусоидальных напряжений - U4 с помощью времяимпуль- сного метода. Действительно, из рассмотрения диаграмм мгновенных зна- чений сравниваемых напряжений - и4 (рис. 11.31, б) можно заключить, что при повреждении в зоне действия PC мгновен- ные значения их - и2 в каждый момент полупериода 772 = 0,01 с имеют разные знаки, совпадение их знаков исключается, 413
Рис. 11.32. Структурная схема реле сопротивления, построенная на сопоставле- нии знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений так как векторы четырех напряжений всегда расположены в обеих полуплоскостях. Если же повреждение возникло вне плоскости, охваченной характеристикой (рис. 11.31, а), то в течение каждого полупериода имеет место хотя бы кратко- временное совпадение знаков всех четырех напряжений. Та- ким образом, по совпадению и несовпадению фаз можно вы- явить зону КЗ и построить на этой основе PC с четырехугольной характеристикой. Совпадение или несовпадение знаков срав- ниваемых напряжений определяется с помощью специальной схемы сравнения. Функциональная схема PC с четырехугольной характери- стикой срабатывания, построенная на сопоставлении знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений, приведена на рис. 11.32. В состав схемы входят четыре устройства: проме- жуточные измерительные трансформаторы напряжения ПТН и тока ПТТ, сигналы с которых поступают на формирователь сравниваемых напряжений ФИН; устройство формирования, состоящее из четырех элементов УФ1-УФ4, образующих че- тыре сравниваемых напряжения U, - С4. Каждый формиру- ющий элемент является сумматором, осуществляющим сло- жение напряжений, поступивших с ПТН и ПТТ', частотные фильтры Ф1-Ф4 служат для подавления высших гармоник, появляющихся в переходном режиме при КЗ на длинных ВЛ 414
СВН (500-1150, а иногда и 330 кВ). В PC, предназначенных для ИЗ ЛЭП 110-220 кВ, частотные фильтры могут не приме- няться. В ФИН производится сравнение знаков мгновенных значений сформированных напряжений Ux - U4. При одновре- менном совпадении знаков всех четырех напряжений на вы- ходе ФИН появляется импульс напряжения С/с+ в течение вре- мени их совпадения tc. В случае несовпадения знаков форми- руется импульс О’нс._ с tHc. При КЗ в зоне действия реле знаки сравниваемых напряже- ний различны. Отрицательный сигнал Пнс_ о их несовпадении воздействует на элемент времени непрерывно в течение каж- дого полупериода и продолжается до прекращения КЗ. По- скольку продолжительность сигнала tHC > ty (ty - уставка эле- мента времени), то элемент времени срабатывает, и на его вы- ходе через t = ty появляется сигнал, означающий, что реле подействовало. При повреждении вне зоны в течение каждого полупериода изменения мгновенных значений ux - и4 обяза- тельно появляется положительный сигнал о совпадении зна- ков. Длительность сигнала о несовпадении tKC будет всегда меньше 172, и элемент времени не успевает сработать (tHC < < Т/2). Принципиальная схема PC с четырехугольной характери- стикой срабатывания, выполненная на ИМС, изображена с некоторыми упрощениями на рис. 11.33. Измерительный орган построен по структурной схеме и состоит из промежуточных трансформаторов напряжения TVL и тока TAL, сумматоров А1-А4, образующих сравниваемые напряжения ^-^4, и устройства сравнения УС, содержащего формирователь им- пульсов несовпадения знаков мгновенных значений сравни- ваемых напряжений ФИН и РО1, Данное PC предназначено для использования в сетях 110-330 кВ, поэтому частотный фильтр не предусматривается. Все элементы схемы выполне- ны по унифицированным схемам, описанным в § 11.10. Контролируемые напряжения и токи и /р подводятся к TVL и TAL, осуществляющим их преобразование, в результате которого на выходе TVL появляется напряжение (/п.н = ^п.нЦ), а на выходе TAL два разнополярных напряжения и ^пт2 = -^пт4» снимаемые с зажимов Т1 и Т2 выходного де- лителя напряжения Rjy, ^т2 (рис. 11.33). Эти напряжения по- ступают на вход схемы каждого устройства формирования выполняемых в виде сумматора на ОУ по схеме, 415
Рис. 11.33. Принципиальная схема реле сопротивления с четырехугольной ха- рактеристикой рассмотренной в §2.19. Входные сигналы проходят через спе- циально подобранные сопротивления к инвертирующему вхо- ду ОУ каждого сумматора по трем цепям: 1 - от TVL, 2 и 3 от TAL. В результате сложения сигналов на выходе сумматоров (А1-А4) образуются напряжения по (11.26). Коэффици- енты Ку и К/в этих выражениях определяются сопротивления- ми R и X, установленными во входных цепях сумматоров, и параметрами промежуточных трансформаторов (их коэффици- ентами трансформации и регулируемыми сопротивлениями R> на которые замкнуты встречные обмотки). Значения этих ве- личин должны выбираться так, чтобы они обеспечивали фор- мирование Ку и Ki, необходимые для образования напряже- ний - U4, позволяющих получить PC с заданной характери- стикой. Поясним, как обеспечивается формирование Ку и К/ в схе- ме УФ. Характеристика срабатывания задается четырьмя осо- 416
рис 11-34. Характеристика срабатывания реле сопротивления быми точками 1-4, которые являются вершинами четырех- угольника (рис. 11.34). Положение особых точек на комплексной плоскости опреде- ляется векторами комплексных сопротивлений Zx, Z2, Z3, Z4 (рис. 11.34) и записывается в виде равенства Zn = Rn + jXn. Ак- тивные и реактивные составляющие Rn, Хп являются коорди- натами особых точек. Знаки ортогональных составляющих этих точек зависят от квадранта комплексной плоскости, в котором расположена особая точка. Согласно (11.14) каждое сопротивление является функцией Ку и К/ соответствующего напряжения - UA (11.26). Коэффициенты Ку принимаются равными KVl = Ку2 = Киз = Ку4 = К. Коэффициент Ку реали- зуется с помощью резистора R1. включенного во вторичную цепь каждого сумматора, идущего с выхода TVL (рис. 11.33). Коэффициенты К; воспроизводятся посредством резисторов R и конденсаторов С. Применяются два способа формирова- ния Ку путем последовательного соединения R и С с включе- нием их в цепь 2 или путем параллельного включения С в цепь 2 и резистора R -в цепь 3. Коэффициент Kjj для формирования особой точки с = = #! + ]ХС1, расположенной в I квадранте комплексной плоско- сти Z, реализуется цепочкой R1 С1, подключенной между вхо- дом 1 сумматора А1 и зажимом Т1. Коэффициент К12 - для осо- бой точки во II квадранте, где Z2 = - R + jX, реализуется цепоч- кой R2 С2, подключаемой к выходу Т1 и резистором R2'(b це- ни 3 сумматора А2), подключенный к зажиму Т2 (противопо- ложной полярности). Коэффициент Kj3, формирующий особую 417
точку в III квадранте, где Z3 = -R - ]ХСз, реализуется цепоч- кой R3 СЗ, подключаемой к зажиму Т2. Коэффициент Кц Я имитируется цепочкой R4 С4, подключаемой к точке 2 сумма- Я тора и к зажиму Т2, и резистором R5. Если требуется характери- стика с а = л, то переключателем SB1 вместо R6 включает- Я ся R5. Если рассматривается направленное PC, у которого Я вершина 3 характеристики срабатывания проходит через на- 1 чало координат Z3 = 0, будет равен нулю и коэффициент К1э, 1 и к сумматору АЗ подведется только цепь напряжения от TVL. I Для устранения ’’мертвой зоны”, возникающей при = 0, и I обеспечения четкой работы реле при близком КЗ к суммато- ! ру АЗ подается напряжение Еп от устройства памяти, выпол- 1 ненного по схеме, приведенной на рис. 11.18. При этом напря- жение, формируемое на выходе АЗ, U3 = КуУ? + Еп. Выходные сигналы с сумматоров с устройства формирова- ния УФ (рис. 11.33) в виде синусоидальных напряжений - U4 приходят на вход схемы ФИН устройства сравнения УС. На рис. 11.33 ФИН для упрощения изображен в виде структурного элемента. Схема ФИН представляет собой диодный селектор, Ж выделяющий положительные и отрицательные значения на- К пряжений Cj - U4, поступающих на его вход. Я При одновременном совпадении знаков мгновенных значе- Я ний четырех напряжений, характеризующем появление КЗ Я вне зоны, С/ВХ1 < С/ВХ2, и на выходе операционного усилителя воз- Я никает положительный импульс напряжения Сс+. Его продол- Я жительность tc равна длительности совпадения знаков в тече- Я т Я ние полупериода промышленной частоты: tc = — - tHC. Выход- Ж i ной сигнал УФИ (7НС_ или Uc+ поступает на РО1. В схемах ДЗ PC с четырехугольной характеристикой исполь- зуется в качестве ДО II и III ступеней. При этом признано целе- сообразным применять реагирующий орган типа РО1, осуще- ствляющий сравнение длительности сигнала несовпадения с заданной уставкой времени. Реагирующий орган РО1 состоит (см. рис. 11.27, а) из двух входных элементов диода VD1, пропускающего только поло- жительные сигналы, и логического элемента D1; элемента за- держки, выполненного с помощью транзистора VT1, конденса- тора С1, резисторов Rl, R2, R3, диода VD2; выходного элемента D2 и D3, работающего в режиме ключа. Логический элемент D 418
выдает оперативный сигнал срабатывания реле. На схему по- дается напряжение от источника питания = + 15 В. Работа схемы. При КЗ в зоне действия Zp < Zc p, на вход РО от формирователя импульсов УФИ приходит сигнал отрицатель- ной полярности UHC_ о несовпадении знаков сравниваемых напряжений. Этот сигнал существует непрерывно в течение каждого полупериода промышленной частоты tHC = Т/2, пока длится КЗ. Как показано выше, при повреждении в зоне одно- временное совпадение знаков всех четырех напряжений исклю- чено. Появление отрицательного сигнала UHC_ закрывает диод VD1. При этом на элемент D1 через резистор R4, подклю- ченный к шинке нулевого потенциала, подается логический сигнал 0, при котором на выходе D1 появляется сигнал 1, запи- рающий диод VD2 на все время, пока на РО1 поступает отри- цательный сигнал несовпадения. В течение этого времени под действием напряжения источника питания СГИП = +15 В про- исходит заряд конденсатора С1 по контуру C1-R1-R2. По мере заряда конденсатора С1 потенциал базы транзистора VT1 возрастает и открытый до этого транзистор VT1 начинает за- крываться, что приводит к повышению потенциала эмиттера в точке 2 и одновременно на входе логических элементов D2. Через заданное время ty > Т/2, определяемое постоянной вре- мени зарядного контура Cl, R - Rt + R2, потенциал точки 2 превышает СГП, при котором D2 переключается, и на его выходе возникает сигнал срабатывания PC. При появлении положи- тельного сигнала Uc+ о совпадении сравниваемых напряжений, образующемся только при повреждении вне зоны действия PC или в режиме нагрузки, когда Zp > Zc р, диод VD1 открывает- ся и пропускает на вход D1 сигнал положительного знака. При этом на выходе D1 возникает сигнал противоположного знака - логический сигнал 0, открывающий диод VD2. Послед- ний замыкает цепь контура, по которому конденсатор С1 прак- тически мгновенно разряжается через резистор Rl, VD2 и вы- ход D1. Входное напряжение на базе VT1 становится меньше напряжения на эмиттере, транзистор открывается, и входной сигнал на логическом элементе D2 снижается до уровня нуле- вой шинки. В результате этого на выходе инвертора D2 возни- кает логический сигнал 1, означающий недействие PC. Сигнал 17с+ об одновременном совпадении знаков всех срав- ииваемых напряжений продолжается в течение времени г < < Т/2. 419
В остальную часть полупериода (Т/2 - tc) знаки сравниваемых величин не совпадают и на вход РО от ФИН приходит отрица- тельный сигнал UHC_, во время которого начинается заряд кон- денсатора С1. Но так как продолжительность tHC < Т/2, то на- пряжение на выходе элемента задержки (в точке 2), имеющего уставку ty > Т/2, не успевает достигнуть значения 1/пор, необ- холимого для срабатывания реле (выходного элемента D2). Уставка срабатывания принимается с некоторым запасом равным 0,012-0,015 с. 11.12. ПУСКОВЫЕ ОРГАНЫ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ Функции пусковых органов, виды и требования к ним. В §11.3 отмечалось, что пусковые органы (ПО) применяются в односистемных ДЗ, выполняемых с переключениями в цепях тока и напряжения, а также в трехсистемных, если они имеют один комплект ДО на две ступени ДЗ или если их ДО не от- строены от максимальной нагрузки. Пусковые органы в этих ЛЗ выполняют следующие функции: 1) в односистемных схемах подводят при КЗ к ДО токи и на- пряжения поврежденных фаз для правильного определения положения места повреждения; 2) в схемах с одним комплектом ДО для I и II ступеней про- изводят переключения, необходимые для изменения уставки срабатывания при КЗ за пределами I зоны; 3) не позволяют ДЗ действовать на отключение в нормальном режиме, если для повышения чувствительности к КЗ ее ДО недостаточно отстроены от нагрузки; 4) при необходимости осуществляют пуск элементов времени II и III ступеней; 5) выполняют роль ДО резервной (обычно III) ступени ЛЗ. Все ПО должны удовлетворять трем основным требованиям: обладать достаточной чувствительностью в пределах заданной зоны действия, иметь надежную отстройку от /нглах и, по воз- можности, не действовать при качаниях. В односистемных ЛЗ ПО должны четко определять, на каких фазах возникло КЗ, и в зависимости от этого подводить к ДО напряжение и ток, обеспечивающие его правильное действие. В качестве ПО применяются токовые реле, реагирующие на фазные токи. Необходимость отстройки ПО от нагрузки ограничивает чувствительность ДЗ при КЗ, особенно на длин- 420
ных и сильно загруженных ЛЭП. В связи с этим наибольшее применение находят PC с характеристиками, позволяющими надежно отстроить ПО от нагрузки и обеспечить в то же время наибольшую зону действия при КЗ. На протяженных ЛЭП сле- дует использовать PC с эллиптическими и сложными характе- ристиками. Для обеспечения надежного пуска ДЗ при КЗ через переходное сопротивление Рп характеристика срабатывания PC, изображенная в осях Я, jX, должна охватывать заштрихованную площадь ОКК'К ", показанную на рис. 11.13, д, в которой распо- лагаются векторы Zp при КЗ через Rn. С учетом изложенного наиболее рациональной характеристикой ПО является четырех- угольник. Лучшими качествами с точки зрения отстройки от нагрузки и качаний обладает токовое реле ОП. Оно не реаги- рует на симметричные режимы и, следовательно, не может сра- ботать при симметричной нагрузке и качаниях. Токовые пусковые органы, реагирующие на фазные токи, выполняются с помощью максимальных реле тока. При большой кратности тока эти ПО обладают четкой избирательностью поврежденных фаз. Токовые ПО должны устанавливаться на каждой фазе защищаемой ЛЭП. В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью токовые ПО можно устанавли- вать на двух фазах. Ток срабатывания ПО отстраивается от /раб max так же> как 4.3 МТЗ (см. гл. 4). Наибольшее применение токовый пуск находит в ДЗ сетей 35 кВ. При наличии токовых ПО отпадает необходимость применения блокировки при не- исправностях в цепях напряжения. Токовые реле обратной последовательности. Двухфазные КЗ сопровождаются появлением тока ОП, и реле надежно дей- ствует. При трехфазных КЗ 12 = 0. Чтобы обеспечить пуск ДЗ от реле ОП при трехфазных КЗ, предусматривается особая схе- ма, фиксирующая кратковременное появление 12 в первый момент возникновения повреждения. Эта схема рассмотрена в § 12.4 (см. рис. 12.4 и 12.5). Очевидно, что ПО, реагирующий на ток 72, не может действовать избирательно, определяя по- врежденную фазу, и по этой причине не может применяться в односистемных ДЗ. Преимуществом пуска от тока 12 являет- ся недействие его при симметричных перегрузках и качаниях, а также высокая чувствительность при КЗ, поскольку /ср ОП отстраивается только от фильтра, имеющего небольшое значение. 421
Пусковые реле сопротивления. Схемы включения. Пусковые PC ненаправленные и направленные, с круговыми и эллипти- ческими характеристиками включаются на междуфазные на- пряжения и разность одноименных фаз токов согласно табл. 11.1. Схема табл. 11.1 обеспечивает стабильность зоны действия при всех видах КЗ, что очень важно, когда пусковые реле выполняют функции ДО III зоны ДЗ. Однако эта схема не обеспечивает избирательности поврежденных фаз. При двух- фазных КЗ все три реле питаются током КЗ и имеют понижен- ное напряжение, поэтому при близких КЗ они могут сработать все одновременно, что не позволяет выявлять поврежденные фазы по действию пусковых реле. Ненаправленные реле сопротивления. Для исключения дей- ствия пускового реле в нормальном режиме и при нагрузках его сопротивление срабатывания Z" выбирается меньше ми- нимального значения сопротивления Z^&6mtni возникающего на зажимах реле в рабочем режиме (рис. 11.35), т. е.: 4.р < ^раб тт ~ ^раб min ^раб max’ (11.27) где 1/рабт«л “ минимальное рабочее напряжение; /рабтах ~ наибольший ток нагрузки. Чем больше нагрузка, тем меньше чувствительность пуско- вого реле при КЗ. Поэтому на длинных ЛЭП с большими на- грузками PC с круговой характеристикой в начале координат оказывается недостаточно чувствительным при КЗ. Ненаправ- ленные PC применяются в качестве ПО в сетях 35 кВ и на не- длинных и малозагруженных ЛЭП ПО кВ. По сравнению с то- ковыми пусковыми реле ненаправленные PC отличаются большей чувствительностью к КЗ. Пусковые направленные реле сопротивления с круговой характеристикой. Характеристика 2 направленного реле (рис. 11.35) значительно лучше удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПО, чем ненаправленное PC с характеристи- кой 1. Недостатком направленного реле является мертвая зо- на по напряжению, так как реле не работает при Ц, = 0 или зна- чениях, близких к нему. Этот недостаток при двухфазных КЗ устраняется применением подпитки реле напряжением третьей фазы. Для устранения мертвой зоны при трехфазных КЗ уста- навливается токовая отсечка или производится смещение ха- 422
Рис 11.35. Сравнение характеристик срабатывания направленного и ненаправ- ленного реле сопротивления. Жирной линией и штриховкой отмечена зона рас- положения Zc.p при Zp = ZHarp; АВ - сопротивление защищаемой ЛЭП; АС - зона действия реле при КЗ с Rr = О Рис. 11.36. Сравнение круговой и эллиптической характеристик реле сопротив- ления рактеристики реле в сторону III квадранта. Последнее допу- стимо, поскольку III ступень ДЗ работает с выдержкой вре- мени. Направленные PC с круговой характеристикой получили широкое применение в качестве ПО в сетях 110-500 кВ. Их при- менение особенно целесообразно на длинных, сильно загру- женных ЛЭП. Пусковые направленные реле с эллиптической (или оваль- ной) характеристикой. На рис. 11.36 приведены для сравнения характеристики двух направленных PC. Обе характеристики имеют одинаковую зону действия (отрезок АВ) при КЗ с углом = ^м.ч ~ <Рл* Но при фр # (рм.ч реле с эллиптической характе- ристикой имеют меньшую зону действия, чем PC с круговой характеристикой, поэтому они лучше отстраиваются от на- грузки и качаний. Реле с эллиптической характеристикой до- пускают значительно меньшее переходное сопротивление Кп в месте КЗ. Это является недостатком, который нужно учи- тывать при выборе уставки по малой оси эллипса. Реле имеет мертвую зону при двух- и трехфазных КЗ, которая устраняется так же, как у направленного PC с круговой характеристикой. Реле сопротивления с блокировкой от фазоограничителя, ограничивающего действие ДЗ при перегрузке. Улучшение ха- 423
1 Рис. 11.37. Характеристика (а) комбинированного пускового органа, состоящего из направленного реле сопротивления 1 и блокирующего реле сопротивления 2* четырехугольная характеристика PC (б) рактеристики ПО можно получить, применив комбинирован- ный пуск, состоящий из направленного PC и блокирующего PC смешанного типа (рис. 11.37, а). Характеристика 2 смешанного типа выражается уравнением Zc.p = k/cos((pp - и представля- ет собой прямую линию, проходящую под углом 90° - 6 к оси R. Величина к является проекцией векторов Zcp на перпендику- ляр AM и имеет постоянное значение. Зона действия реле за- штрихована. Сочетанием направленного PC и блокирующего реле 2, отсекающего правую часть характеристики, можно до- стигнуть дальнейшего улучшения характеристики пускового устройства. В качестве блокирующего реле можно использо- вать РНМ с углами внутреннего сдвига 60 и 30°. Пусковое реле с характеристикой в виде четырехугольника. Характеристика PC показана на рис. 11.37, б. Площадь четырех- угольника ABCD должна быть минимальной, но обеспечива- ющей работу реле в пределах выбранной зоны действия. Исхо- дя из этого характеристика реле должна удовлетворять сле- дующим условиям: для обеспечения направленности действия точка А характеристики должна совпадать с началом коорди- нат - точкой 0; прямая ВС должна проходить через точку Ь, соответствующую концу расчетной зоны действия реле (рис. 11.37, в); прямая AL представляет собой характеристику сопротивления защищаемой зоны и образует с осью R угол Фл> равный углу полного сопротивления линии Zn. Точка С выби- рается из условия действия реле при КЗ в конце защищаемой 424
зоны при наличии переходного сопротивления в месте по- вреждения. Как указывалось: ZAc = 4 7: 2al + (11.28) С учетом угла а сдвига фаз между векторами /к = Jn + 1м и (рис. 11.37, г) прямая ВС должна проходить относительно оси R под углом = а + азап, где азап - угол запаса, учитыва- ющий угловую погрешность измерительных трансформаторов и погрешность в срабатывании реле. Сторона CD должна быть смешена относительно отрезка AL на величину AZ, характери- зующую дополнительное сопротивление, обусловленное электрической дугой Ra. При приближении места КЗ к точке А ток 1К возрастает, в результате Rr и AZ уменьшаются. С учетом этого угол принимается меньшим угла защищаемой ли- нии (ря. Сторона AD должна равняться значению AZ', которое определяется сопротивлением электрической дуги при КЗ в начале ЛЭП (точка А), и иметь угол а2 = а + азап. Сторона АВ располагается под углом > Фл с таким расчетом, чтобы реле надежно действовало при металлических КЗ на защищаемом участке ЛЭП (прямая AL) с учетом погрешности измеритель- ных трансформаторов и реле. Полученная характеристика реле ABCD обеспечивает необходимую чувствительность при КЗ и имеет наилучшую отстройку от нагрузки и качаний по сравнению с другими характеристиками, обладающими равной чувствительностью при металлических КЗ. Для устранения мертвой зоны и улучшения резервирования при КЗ на длинных электропередачах можно применять смещение характеристи- ки относительно начала координат. 11.13. ПОГРЕШНОСТЬ СРАБАТЫВАНИЯ PC, ОБУСЛОВЛЕННАЯ ТОКОМ 1р Реле сопротивления, выполняющие функции ДО, определя- ют зону действия ступеней ДЗ. Для обеспечения стабильно- сти этих зон к PC предъявляются требования точности работы. В идеальном PC zc - (ЦДр)ср аолжно равняться заданной Уставке независимо от абсолютных значений и и / . Однако в действительности, вследствие ограниченной чувствительно- сти реагирующего органа и других элементов схемы, Z у всех 425
видов PC зависит не только от уставки Zy, но и от абсолютных значений тока 1р. Под его влиянием Zcp отклоняется от Z в сторону уменьшения. Возникает нежелательная погрешность AZ в срабатывании реле, приводящая к сокращению его зоны действия. Рассмотрим характер зависимости Zcp = _/'(£,) на при. мере реле с круговой характеристикой, построенного на срав- нении абсолютных значений двух напряжений рабочего Kjl и тормозного КуУг (см. гл. 11). С учетом порога чувствительно- сти РО, характеризуемого напряжением (7ПЧ, PC приходит в действие при рабочем напряжении |К;/р| = + Un Разделив это значение на получим IZpHVXJ~|CWM>I- (11.29) Наличие второго слагаемого в правой части (11.29), зави- сящей от тока /р, создает погрешность в работе PC AZ = Zy-Zc.p = (11.30) Из (11.29) и (11.30) следует, что основной причиной зависи- мости Z от /р, вызывающей погрешность в действии статиче- ских реле, является наличие порога чувствительности у РО, для преодоления которого на вход РО необходимо подать рабо- чее напряжение 17раб > 17п ч. В электромеханических PC Zc<p также зависит от тока 1р из-за ограниченной чувствительности реле, обусловленной противодействием пружины и трением подвижной системы реле. Второй причиной, порождающей зависимость от тока, является нелинейность элементов схемы реле (полупроводниковых приборов, промежуточных трансфор- маторов и преобразователей и др.). Типичная характеристика Zcp = /(/р), построенная на основе (11.30) Zcp = Zy, изображает- ся на рис. 11.38 прямой 1. Действительная характеристика пред- ставлена кривой 2. При Zc р = 0, имеющем место, когда Up * О, PC срабатывает только при 1р = /Сф. При этом тормозное напря- жение KfjUp отсутствует и согласно (11.30) /р образует рабочее напряжение К;1р = необходимое для преодоления 17П.Ч РО. При малых токах Zp, соизмеримых с 1с.рт1Л, погрешность в Un ч срабатывании реле AZ ---- особенно велика, ZCD оказыва- 426
рис 11-38. Зависимость сопро- тивления срабатывания реле от тока в реле ется намного меньше Зу, что приводит к резкому уменьшению зоны действия реле. По мере увеличения /р значение погреш- ности ДЗ/ уменьшается и, начиная с некоторой точки (рис. 11.38), становится настолько малым, что им можно пре- небречь, считая, что Зс р = Zy. При больших значениях 1р воз- можно насыщение магнитопроводов промежуточных транс- форматоров и нелинейности выпрямителей, что снова вызовет увеличение ДЗ/ и уменьшение Zcp. Зависимость ZC p = /(2р), приведенная на рис. 11.38, характер- на и для других видов PC, поскольку все они имеют конечную чувствительность, определяемую значением 17п>ч. Кривая 2 на рис. 11.38 показывает, что каждое PC может работать с до- статочной точностью только в определенном диапазоне то- ков I?, особенно в начальной части кривой - в области малых токов. Принято, что для дистанционных органов погрешность ДЗ/ не должна превышать 10% Zy. Из этого условия по кривой Zcp = полученной опыт- ным или расчетным путем, для каждого типа реле определя- ются токи точной работы; ^очр в области малых токовой /точ.р в области больших токов, при которых погрешность AZ/ рав- на 10%, а сопротивление срабатывания Zc р « 0,9Zy. В современных конструкциях ток точной работы в начальной части характеристики /т'оч>р * 1 * 7 А. При выборе уставок PC необходимо проверять, что при повреждении в конце зоны дей- ствия токи КЗ IK min 5* i;04<p, а 1К тах /точ.р- Если эти Условия не будут выполняться, то погрешность реле превзойдет 10% и со- ответственно сократится зона действия PC. Для уменьшения зависимости работы PC от тока /р и сниже- ния погрешности ДЗ/ необходимо, как это следует из (11.30), повышать чувствительность реагирующего органа реле (умень- 427
шая этим Un.4), увеличивать в возможных пределах коэффц. циент Ку при напряжении Ц>, принимать меры к уменьшению нелинейности элементов схемы. 11.14. ИСКАЖЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ОРГАНОВ Причины, вызывающие искажение работы дистанционных органов (ДО). На работу ДО оказывают влияние некоторые факторы, под воздействием которых нарушается пропорцио- нальность между Zp на входных зажимах PC и расстоянием до места КЗ. К таким факторам относятся: переходное сопро- тивление Rn в месте повреждения; ток подпитки, посылаемый к месту КЗ от источников, подключенных между местом уста- новки ДЗ и точкой КЗ; погрешности ТТ и TH, подающих к PC ир и Ip. Искажение значений Zp необходимо учитывать при вы- боре уставок и характеристик ДО во избежание нарушений се- лективности и недопустимого сокращения зон действия. Влияние переходного сопротивления Rn на Zp. При металли- ческом КЗ (Rn = 0) сопротивление на зажимах реле Zp = Z1K = = ZiynlK (рис. 11.39), т. е. определяется только сопротивлением прямой последовательности ZipK участка ЛЭП между местом расположения реле и точкой КЗ. Поскольку Zp = /к, то зона действия ДО точно соответствует расстоянию до места КЗ /рК. Если же повреждение происходит через Кп, то сопротивле- ние контура КЗ состоит из сопротивления Z1K s /к поврежден- ного участка ЛЭП и переходного сопротивления Rn. Переход- ное сопротивление при междуфазном КЗ (рис. 11.39) вызывает- ся электрической дугой. При КЗ на землю кроме электриче- ской дуги существенное значение может иметь сопротивление, обусловленное проводимостью земли, и сопротивление эле- ментов, через которые произошло замыкание на землю. Все переходные сопротивления можно считать активными. Рас- смотрим междуфазное КЗ ВС через переходное сопротивление на ЛЭП с двусторонним питанием (рис. 11.39). Реле PC, реа- гирующее на междуфазные КЗ, включено на ток и напряжение согласно табл. 11.1. Как видно из рис. 11.39, а: 2 — _ -'ВС _ __ р b Ib-Jc 27kn = Z1K + - = Z,K + KR„ = Z1K + AZ, (П.31) 2/x N 428
Рис. 11.39. Влияние электрической дуги в месте КЗ на сопротивление на зажимах реле: Z1K ~ сопротивление ЛЭП между точками КЗ и местом установки ДЗ где Z,K - сопротивление прямой последовательности участка NK до точки К; Rn - действительное переходное сопротивле- ние; R~ - то же отнесенное к фазе; IKN - ток КЗ от источника питания N, проходящий через реле IP - IKN; 1К - ток КЗ, про- ходящий через Rn, равный геометрической сумме токов IK w + + /к м ~1к> % ~ Комплексная величина, равная IK/IN = |1K//N|e;a, здесь а - угол сдвига фаз между 1К (в месте КЗ) и (в реле). Для упрощения записи разность токов 1В - ]с обозначена -KN и /к- Выражение (11.31) показывает, что в общем случае при дву- стороннем питании сопротивление на зажимах реле Zp = Z1K + + KRn, в то время как при одностороннем питании ЛЭП со сто- роны источника N Zp = ZIK + Яп (в этом случае К - 1). Векторные Диаграммы на рис. 11.39, г характеризуют значение и положе- ние вектора Zp на комплексной плоскости в зависимости от значения а (или, иначе говоря, от вектора К). Если 1К отстает 429
Рис. 11.40. Искажение замеров дистанционных органов: а - вследствие подпитки токами КЗ; б — вследствие разветвления токов КЗ от IKN (рис. 11.39, г), т. е. угол а положителен, KRn отстает от Яп; если же 1К опережает то угол а становится отрица- тельным и поэтому KRn опережает Ru. Чем больше 1К отлича- ется от Jkn, тем больше Zp отличается от 21к и тем больше искажается работа ДО. Угол между 1К и Jkn определяется сдвигом фаз ЭДС Е и Ем, который зависит от режима нагруз- ки, предшествовавшего КЗ. Сокращение зон, как правило, не вызывает неселективной работы ДЗ, установленных на участ- ках, прилегающих к поврежденному. Сопротивление электрической дуги Rn = Ra можно оценить по формуле Ra = 1050/д/1д, здесь /д - длина дуги, м; /д - ток в дуге, А. В начальный момент КЗ длина дуги минимальна, а в дальнейшем увеличивается. Поэтому на быстродействующие ДЗ дуга оказывает меньшее влияние. Влияние токов подпитки от промежуточных подстанций. В ряде случаев между местом установки ДЗ и точкой повреж- дения оказываются включенными источники питания N, дающие дополнительный ток ]к n к месту КЗ (рис. 11.40, а). Этот ток не проходит через реле, но, создавая дополнительное падение напряжения в сопротивлении поврежденного участ- ка, увеличивает напряжение на зажимах реле, а вместе с ним и Zp. Напряжение на реле с учетом подпитки 4/р =2кМ^1Л + (1к М + /к n)^ik, ток в реле /р = /к м > отсюда 2р = = /;л + = z’ln + KpZi'. (П.32) 2р 2к м 430
г 1к Коэффициент Кр ------> 1 (здесь 1К =1к.м +Алг) называ- ется коэффициентом распределения (или подпитки)1. При наличии подпитки сопротивление на зажимах реле ока- зывается большим, чем действительное сопротивление пря- мой последовательности до места КЗ, что приводит к сокраще- нию II U зон аз- Влияние разветвления токов при сочетании одиночных ЛЭП с параллельными. При сочетании одиночной ЛЭП с двумя па- раллельными (рис. 11.41,6) PC, установленное на одиночной ЛЭП, измеряет преуменьшенное сопротивление при КЗ на од- ной из параллельных ЛЭП: Up = + (Лк к)Ак! = Лк- Следовательно, zp = z;„ + z;K = + kpz;;, ш.зз) J1K где Кр - коэффициент разветвления токов: Кр = (7.к - Г1К)/11К < < 1. Влияние разветвлений должно учитываться при расчете уставок ДЗ. Влияние погрешности измерительных трансформаторов. Погрешность ТТ уменьшает вторичный ток по сравнению с его расчетным значением, что вызывает сокращение зоны дейст- вия PC. Угловая погрешность искажает значение угла срр со- противления Zp и влияет таким образом на работу направлен- ных PC, у которых Zp =/(фр). Для ограничения искажений в ра- боте ИО трансформаторы тока, питающие ДЗ, должны прове- ряться по кривым предельной кратности, которым соответст- вует полная погрешность, не превышающая 10%, и удовлетво- рять им при максимальном значении тока КЗ в конце 1 зоны. Погрешность TH по коэффициенту трансформации невелика. Однако значение вторичного напряжения может заметно ис- кажаться за счет падения напряжения в соединительных про- В расчетах для учета подпитки часто пользуются коэффициентом токо- ^кМ 21К Распределения кт = —--, тогда Zo = Z'.n + -r-. ~ /к -р -и» к 431
водах, связывающих реле с TH. Подбором сечения соедини- тельных проводов эти искажения сводятся к минимуму. Угло- вая погрешность TH влияет на работу PC так же, как и ТТ. 11.16. ВЫПОЛНЕНИЕ СХЕМ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ В электрических сетях с напряжением 110 кВ и выше, рабо- тающих с глухозаземленными нейтралями, практически на всех линиях устанавливается дистанционная защита, рассчи- танная на действие при междуфазных КЗ. Для отключения одно- и двухфазных КЗ на землю используется более простая токовая направленная защита, реагирующая на составляющие тока и напряжения нулевой последовательности. Эти защиты в большинстве случаев выполняют функции резервных за- щит. В качестве основной защиты широко используются диф- ференциально-фазная и направленная высокочастотные за- щиты (см. гл. 13), а на коротких линиях - токовые дифферен- циальные защиты (см. гл. 10). Опыт эксплуатации показал, что такой принцип защиты высоковольтных линий электропереда- чи обеспечивает высокую надежность их защиты и работы энер- госистем. Однако применение новых прогрессивных методов построения защит на базе процессорной техники может рас- ширить использование дистанционного принципа для защиты линий и от однофазных КЗ на землю. Ниже в качестве примера кратко рассмотрены наиболее рас- пространенные в отечественной практике дистанционные за- щиты типа ЭПЗ-1636 и ШДЭ-2801 (на ИМС). Дистанционная защита панели ЭПЗ-1636 выполняется трех- ступенчатой с реле, реагирующими на полное сопротивление И (устройство PC рассмотрено в §11.8). На рис. 11.41 представле- ны цепи переменного тока и напряжения защиты. Защита со держит шесть направленных реле сопротивления с круговыми характеристиками, проходящими через начало координат. Три реле 1РС-ЗРС комплекта ДЗ-2 выполняют функции дистан- ционного органа I и П ступеней. В целях сокращения числа сложных реле три PC комплекта ДЗ-2 в нормальном режиме имеют уставку срабатывания I сту- пени Zcpp При КЗ, по истечении времени действия I ступени, уставка автоматически изменяется на Zc р1] контактами про- межуточного реле 1РП. Последнее приводится в действие при 432
Рис. 11.41. Схема цепей переменного тока ДЗ-2, КРБ и КРС КЗ PC Ш ступени (как показано на рис. 11.41 и 11.42) и работает с замедлением 0,1-0,2 с. Реле сопротивления комплекта КРС-1 выполняют функ- ции пускового органа и Ш ступени защиты. Для этих реле име- ется возможность получения эллиптической характеристики и смещения характеристик в III квадрант для надежной рабо- ты при КЗ в начале линии. Реле сопротивления обоих комп- 433
Реле переключения дистанционного органа с уставки Iступени на П Реле - повторитель пусковых органов защиты Реле повторитель дистанционного органо (фиксация мгновенного замера) I ступень Фиксация одновременно го действия реле злп и KPbi ввод в работу П ступени Реле времени luff ступеней ff ступень с меньшей выдержкой времени ff ступень с большей выдержкой времени HI ступень Реле времени Ш ступени Реле ускорения И и И! ступеней Блокировка при качаниях НРЬ Цепь отключения выключателя Рис. 11.42. Упрощенная логическая схема ДЗ 434
дектов (см. §11-5) включены на разность токов двух фаз и на соответствующие междуфазные напряжения (на петлю КЗ). Для устранения мертвой зоны, с учетом возможного смещения характеристики в I или III квадрант (из-за неравенства парамет- ов трансреакторов и резисторов R13 и R27), к реле сопротивле- ния дистанционного органа дополнительно подводится на- пряженИе третьей, свободной фазы (см. § 11.8 и рис. 11.18). На панели также предусмотрено два блокирующих устрой- ства: блокировка при нарушениях в цепях напряжения, входя- щая в комплект ДЗ-2; блокировка при качаниях типа КРБ-126 или 125. Цепи логической схемы трехступенчатой ДЗ из-за сложности представлены в упрощенном виде на рис. 11.42. На схеме показаны контакты трех PC, входящих в комплект КРС-1, выполняющие функции ДО III ступени и ПО ДЗ. При КЗ контакты этих PC замыкаются и приводят в действие реле 2ПР. Это реле является повторителем ПО. Своими контактами оно производит уставку на пуск реле времени 1РВ и 2РВ. Реле времени 1РВ с двумя контактами (проскальзывающим и упорным) создает выдержку времени II ступени (ift и *п)» реле 2РВ обеспечивает выдержку времени III ступени. Устройство блокировки при качаниях КРБ, установленное на панели, блокирует (не разрешает работать) I ступень защиты контактами 1РП4, разомкнутыми в нормальных условиях, и II ступень; если t < 1 + 1,5 с, - контактами 1РП6, также разомк- нутыми в нормальном режиме. КРБ разрешает работать с t < 1,5 с I и II ступеням защиты только при КЗ, когда появляется, хотя бы кратковременно, составляющая тока обратной последовательности, вызываю- щая срабатывание реле РТ обратной последовательности (см. рис. 11.41). Одновременно промежуточное реле ЗРП устройства КРБ (рис. 11.42) подает контактами ЗРП2 плюс к PC ДО I и II комп- лекта ДЗ-2 и комплекта КРС-1, выполняя этим функции пуска защиты на время до возврата блокировки в состояние готовности к повторному действию (на 6-9 с достаточное для срабатывания резервной ступени ДЗ); в качестве выходного реле защиты служит 4РП, имеющее рабочую 4РПр и удерживающую 4РПу обмотки. На рабочую об- мотку этого реле без выдержки времени действует I ступень и с соответствующими выдержками времени II и III ступени; 435
удерживающая обмотка используется в цепи отключениями при неисправности в цепях TH блокировка при нарушениях в цепях напряжения, предусмотренная в комплекте ДЗ-2 ^И подает сигнал; защита при этом не выводится из действия ^И так как использован токовый пуск от КРБ-126. В случае необ. ходимости защита может быть выведена из работы специаль- ным отключающим устройством (на схеме не показано); Ж в схеме предусмотрено ускорение 11 и III ступеней защиты при действии АПВ контактом реле ускорения 1РПУ1 и 6РП'на 1| рис. 11.42; панель поставляется заводом с PC всех ступеней, имеющих в качестве РО нуль-индикаторы на ОУ, для которых устанав- ? ливается блок питания ±15В. I Таким образом, ДЗ на панели ЭПЗ-1636 обеспечивает мгно- венное отключение междуфазных КЗ в пределах I ступени . (0,85 длины защищаемой линии) и резервирование с выдерж- < ками времени II и III ступеней отключений междуфазных КЗ * на следующем участке. В настоящее время эта ДЗ практиче- ски используется на большинстве линий ПО, 220 кВ в энерго- | системах России. Подробное описание дистанционной защи- f ты панели ЭПЗ-1636 дано в [59]. Помимо рассмотренной выше < трехступенчатой дистанционной защиты от междуфазных 5 КЗ, панель типа ЭПЗ-1636 содержит: Ж токовую двухрелейную отсечку, действующую без выдержки Д времени - от междуфазных КЗ; f четырехступенчатую токовую направленную защиту нуле* %’ вой последовательности - от КЗ на землю; ,j два трехфазных токовых реле, используемых в схеме устрой* ства резервирования отказа выключателей (УРОВ) - для конт- роля наличия тока в защищаемой линии. £ По разработке института ’’Энергосетьпроект” в настоящее •> время завод выпускает панель типа ЭПЗ-1636м (модернизм- рованную), содержащую те же защиты, но разделенные на дав комплекса. В первый комплекс входит: двухступенчатая дистанционная защита типа ДЗ-2 (I и II ступени); V блокировка при качаниях типа КРБ-126 (КРБ-125); ж одноступенчатая токовая защита нулевой последовательно* сти (IV ступень). » 436
Во второй комплекс входит: токовая отсечка типа КЗ-9; одноступенчатая дистанционная защита типа КРС-1, выпол- няющая функции III ступени; трехступенчатая защита нулевой последовательности типа КЗ-Ю- Питание цепей переменного тока каждого комплекса мо- ^ет осуществляться от отдельных групп ТТ, питание цепей напряжения - посредством отдельных кабелей от панели TH, а питание оперативных цепей - через отдельные автоматиче- ские выключатели. Преимуществом такого деления является возможность взаимного резервирования по цепям одного комплекса другим. В сетях с изолированной нейтралью или заземленной через ДГР 35 кВ, имеющих двустороннее питание и кольцевые свя- зи, применяются, как правило, дистанционные защиты двух- и трехступенчатые с односистемным ДО и пусковыми токо- выми реле (панель типа ПЗ-152), а на линиях с малыми значе- ниями токов КЗ применяются ДЗ с пусковыми реле полного сопротивления (панель типа ПЗ-153). Вместо ДЗ серии ПЗ в настоящее время завод выпускает дистанционную защиту на ИМС типа БРЭ-2701 с токовым пусковым органом, реагирую- щую на все виды КЗ, включая двойные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. 11.17. ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА ТИПА ШДЭ-2801, ВЫПОЛНЯЕМАЯ НА ИМС Дистанционная защита типа ШДЭ-2801 предназначена для РЗ ЛЭП 110-330 кВ от междуфазных КЗ [60]. Конструктивно ДЗ размещается в шкафу вместе с комплектом четырехступен- чатой НТЗ НП и токовой отсечкой от междуфазных КЗ. В та- ком исполнении эти РЗ дополняют друг друга и служат полно- ценной защитой ЛЭП 110-330 кВ от всех видов КЗ. Ниже рас- сматривается только ДЗ. Ее упрощенная схема, поясняющая работу измерительной и логической частей, приведена на Рис. 11.43. Принципиальные схемы ИО рассмотрены в § 11.9, поэтому на схеме они показаны в виде функциональных эле- ментов. Логическая схема изображена с некоторыми упроще- ниями. Измерительная часть (ИЧ) ДЗ ШДЭ-2801 имеет три ступени, каждая из которых состоит из трех ДО KZ.AB, KZ.BC, KZ.CA, 437
включенных на междуфазные напряжения и разность фазных| токов согласно табл. 11.1. | Дистанционные органы построены на принципе сопостав-I ления времени несовпадения мгновенных значений сравни». I ваемых напряжений с временем их совпадения по схеме, при. 1 веденной на рис. 11.27. Характеристика срабатывания ДО I сту- ’ пени имеет форму окружности, проходящей через начало ’ координат с углом максимальной чувствительности фмч « = 75° (см. рис. 11.14,6). Дистанционный орган II ступени имеет характеристику срабатывания в виде четырехугольника, сме- щенного в ill квадрант не более чем на 6% значения сопро- тивления срабатывания вектора Zy, расположенного под уг- Рис. 11.43. Упрощенная схема дистанционной защиты типа ЩДЭ-2801: ЛЭ, отмеченные*, - функциональный контроль, дублирующий срабат№* 438
дом 75° относительно оси координат +R (см. рис. 11.14, д); дистанционный орган III ступени выполняется с характери- стикой срабатывания в виде треугольника, одна из вершин которого совмещена с началом координат (см. рис. 11.14, е). Для обеспечения надежного действия ДО I и III ступеней при КЗ вблизи места установки ДЗ в схеме этих органов преду- смотрен контур памяти, формирующий поляризующее напря- жение с/п- Переая ступень ДЗ работает без выдержки времени. Вторая ступень имеет два органа времени: один используется для дей- ствия II ступени с малой выдержкой времени (0,5-1,5 с), второй - с большим временем: t > 1,5 с. Третья ступень имеет один ор- ган времени и работает с боль- шой выдержкой времени, рав- ной нескольким секундам. В схеме ДЗ предусмотрена возможность ускорения дейст- вия П и III ступеней до t = 0 при включении выключателя за- щищаемой ЛЭП от ключа уп- равления или от АПВ, а также оперативного ускорения этих же ступеней, вводимого с помощью переключателей в определен- ных режимах для ускорения от- ключения КЗ. Предусмотрено блокирование действия всех ступеней ДЗ при повреждениях в цепях TH с помощью устрой- ства УБН, которое реагирует на нарушение баланса фазных напряжений вторичных обмо- ток TH, соединенных в звезду, и обмоток, соединенных в ра- зомкнутый треугольник. В схе- ме ИЧ имеется устройство, бло- кирующее действие ДЗ при ка- чаниях (УБК). Пусковой орган УБК реагирует на различные ско- рости приращения вектора тока нне до 439
обратной Д12/Д1 и прямой Д^/At последовательностей при КЗ ц! качаниях. Схема и действие такого устройства рассмотрены si гл. 12. Пусковой орган имеет два выходных органа: чувствитель- ный РО1 и грубый РО2‘, последний в 2-3 раза грубее РО1. При ка- чаниях и в режиме нагрузки УБК запрещает действие I и II сту- пеней, если последняя имеет выдержку времени г < 1 с. При КЗ вследствие внезапного появления и резкого увеличения Д/2 и Д/j, УБК срабатывает и вводит заблокированные ступени в дей- ствие на время, необходимое для их срабатывания (0,2-0,4-0,6 с). По истечении этого времени УБК вновь выводит их из работы (до следующего КЗ или появления несимметричного режима). В рассматриваемой схеме ДЗ предусмотрена возможность использования УБК в качестве дополнительного пускового органа для медленно действующих II и III ступени. Такой ПО вводит II и Ш ступени при КЗ на время t = 3 + 12 с и не позволя- ет им работать при больших перегрузках на защищаемой ЛЭП, а также при повреждениях в цепях TH. В схемах ДО и блокирующих устройств измерительной ча- сти ДЗ ШДЭ-2801 используются ОУ серии К553У-Д2. Для их ра- боты требуется источник питания с напряжением постоянно- го тока ± 15 В. Логическая часть ДЗ построена на логических микросхемах серии К-511, которые обладают повышенной помехоустойчи- востью, что и обусловливает целесообразность их применения в схемах РЗ. В схеме рис. 11.43 микросхема К-511 применяется в качестве логического элемента, выполняющего как опера- -1 ции И-НЕ, так и ИЛИ-HE. Я В первом случае в исходном режиме на входе ЛЭ (микро- Я схемы К-511) дежурит сигнал на уровне логического 0, а на вы- Я ходе - сигнал единичного уровня в виде напряжения Щих № 'I = 12 В. Для переключения на все входы ЛЭ необходимо одно- л временно подать логический сигнал, тогда на выходе элемен- -I та вместо 1 появится логический сигнал 0 в виде напряжения % -5- 0,4 В. Это означает, что ЛЭ выполнил операцию ® И-НЕ. Если же в исходном режиме на входах ЛЭ (микросхемы) J присутствуют сигналы 1, то для переключения ЛЭ достаточно ® подать хотя бы на один из его входов нулевой сигнал, в резулъ- ж тате которого на выходе появится логический сигнал, означаю- я щий, что ЛЭ выполнил операцию ИЛИ-HE. Я На рис. 11.43 на каждом ЛЭ (микросхеме) согласно приня- Я той условности показана операция, выполняемая микросхе- Я 440
риой при положительной логике (в данном случае знаком опе- ании И-НЕ). Для облегчения рассмотрения схемы рядом с прямоугольником ЛЭ указана выполняемая им операция в данной схеме, а внутри прямоугольника дается буквенное обозначение, принятое в схемах завода-изготовителя. В качестве элементов времени в схеме используются бес- контактные элементы, выдержки времени которых определя- ются временем заряда конденсаторов. В качестве исполни- тельных элементов, выполняющих переключения в цепях от- ключения выключателей и сигнализации, применяются гер- коновые реле РПГ-2. Принципы построения логической схемы (рис. 11.43). Логи- ческая схема имеет три основных канала, по элементам кото- рых проходят соответственно сигналы от ДО (KZ) I, II, III сту- пеней ДЗ на элементы четвертого общего выходного канала, формирующего выходной сигнал о срабатывании ДЗ, воздей- ствующей на отключение ЛЭП. Канал I ступени образован из логических элементов ИЛИ-НЕ 1 (D1.1J*, И-НЕ 1 (D2.3), усилителя мощности в виде транзи- стора VT и диода VD13. Сигнал о срабатывании этой ступени контролируется УБК. Блокирующий сигнал УДК через элемент ИЛИ-НЕ 3 (D5.4) поступает на вход D2.3. Канал II ступени состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ 2 [D2.1), выходной сигнал которого расходится по двум парал- лельным цепям. Одна цепь, предназначенная для работы II сту- пени с малой выдержкой времени, выполняется с помощью элемента И-НЕ 2' (D3.1), элемента времени DT1.1 с малой уставкой tn и диода VD12. Эта цепь блокируется УДК, подаю- щим сигнал через вспомогательный логический элемент D5.4 на вход D3.1. Вторая цепь состоит из элемента И-НЕ 2" (D3.2), элемента времени DT2.1, диода VD10. В состав канала III ступени входят элементы ИЛИ-НЕ 3 (D2.2), И-НЕ З1 (D4.1), элемент времени DT2.2, диод VD9. Сигналы о действии ДЗ, выходящие из I, II или Ш канала, при- ходят на общую сборную шинку СШ, откуда по IV выходному каналу, образованному из элементов D7.2 и D4.2, поступают на выходное промежуточное реле KL4. При срабатывании это ре- ле передает команду на отключение выключателя. Прохож- ------ В скобках указаны обозначения элементов, принятые в схемах завода- изготовителя. 441
дение сигналов о действии ДЗ по каналам I, II, III ступеней возможно только при наличии разрешающих сигналов, п0. ступающих от УБК и УБН, а по выходному каналу при наличии двух разрешающих сигналов: одного от устройства функции нального контроля, контролирующего правильность поведения элементов I, II и III каналов, и второго - от устройства, под. тверждающего срабатывание ДО какой-либо ступени. Все полупроводниковые элементы логической схемы и Ио питаются напряжением ± 15 В, получаемым от блока пита- ния (БП) БРЭ-2801, который имеет вывод для питания шинки нулевого потенциала. Для питания электромеханических реле блока отключения и сигнализации используется напря- жение 24 В, получаемое также от БП БРЭ-2801. Для облегчения понимания действия логической части на входах и выходах всех элементов схемы показаны логические сигналы (0 или 1), присутствующие на них при недействии ДО, УБК, УБН и устройства функционального контроля, что имеет место при нормальном режиме защищаемой сети и исправном состоянии контролируемых элементов ДЗ. Назначение и действие элементов схемы (рис. 11.43). Логи- ческие элементы Dl.l, D2.1, D2.2 объединяют сигналы трех дистанционных органов каждой ступени (по схеме ИЛИ). В нормальном режиме на входе этих элементов присутствуют сигналы 1, поступающие от недействующих ДО, а на их выхо- де сигналы 0. При срабатывании ДО любой ступени на входе упомянутых выше логических элементов (ИЛИ-НЕ) соответ- ствующей ступени появляется логический сигнал 0, а на вы- ходе - 1. Выходные сигналы ИЛИ-НЕ 1, 2, 3 (Dl.l, D2.1, D2.2 соответственно) поступают на D2.3, D3.1, D3.2, D4.1. Эти элемен- ты служат для блокирования действия ДО в нормальном ре- жиме и при качаниях. В этом режиме на вход указанных эле- ментов от УБК подается единичный сигнал, а при КЗ блоки- ровка при качаниях подает сигнал нулевого уровня, разрешаю- щий передачу сигнала о действии ДО на следующие логиче- ские элементы (VT и элементы времени DI). При исправном состоянии цепей напряжения от УБН на вход логических элементов И-НЕ 1, 2, 2', 3'приходит сигнал 1, разрешающий им работать. Если же в цепях напряжения возни- кает повреждение, то УБН посылает сигнал на уровне логиче- ского 0, запрещающий элементам И-НЕ действовать. 442
Блокировка при качаниях (УБК) имеет два выхода, один от чувствительного РО1, второй от грубого РО2 с одинако- вым уровнем ПС. Эти сигналы передаются по двум разным цепям БК! и БКП. По цепи БК! через вспомогательный логиче- ский элемент D5.4 блокируется первая ступень и вторая - с малой выдержкой времени Гц- В нормальном режиме и при качаниях на вход элемента DS.4^ выполняющего операцию ИЛИ-НЕ, приходит сигнал 1. При этом на выходе D5.4 присут- ствует сигнал 0, запрещающий действовать элементам И-НЕ 1 и И-НЕ 2При КЗ УБК приходит в действие, посылая по цепи БК/ кратковременно (в течение At = 0,2; 0,4; 0,6 с) логический сигнал 0 на вход D5.4, последний переключается, и на его вы- ходе возникает единичный сигнал, разрешающий элементам И-НЕ 1 и И-НЕ 2'сработать и осуществить кратковременный пуск I и II ступеней. По истечении времени пуска At, достаточ- ного для действия I ступени, разрешающий сигнал прекраща- ется, и по цепи БК! на входы элементов D2.3 иБ3.1 вновь при- ходит блокирующий нулевой логический сигнал. Пуск ДЗ на 0,2 с недостаточен для срабатывания II ступени с малой вы- держкой времени tjj = 0,2 -е- 0,6 с. Поэтому в схеме предусмотре- но продление пуска подачей с выхода элемента D3.1 сигна- ла 0 на второй вход D5.4. При наличии этого сигнала элемент D5.4 (действующий по схеме ИЛИ-НЕ) продолжает выдавать разрешающий единичный сигнал, удерживающий в сработан- ном состоянии элемент D3.1. Возврат D5.4 и D3.1 происходит при возврате ДО II ступени в начальное состояние. По цепи БКП УБК производит пуск II ступени, действующей с большей уставкой (ц и III ступени - с (щ. В нормальном режи- ме и при качаниях по цепи БКП УБК посылает блокирующий сигнал 1, а при КЗ - разрешающий сигнал 0 в течение t = = 6 ч- 12 с. Эти сигналы поступают через вспомогательные ин- вертирующие элементы D6.1 и D6.3 на вход D3.2 и D4.1. В пер- вом режиме при отсутствии КЗ логический сигнал 0 БК запре- щает переключение обоих ЛЭ, блокируя этим прохождение сигналов ДО II и III ступеней. Во втором режиме (при КЗ) ло- гический сигнал 1 разрешает переключение D3.2 и D4.1. По- этому при действии ДО II или III ступени на выходе D3.2 или &4.1 появляется сигнал 0 о пуске соответствующей ступени. Возможны случаи, когда БК может запуститься скорее, чем начнет работать II или III ступень, и тогда пуск, осуще- ствляемый БК, прекратится раньше, чем сработает блокируе- 443
мая ступень. Для исключения этого в схеме предусмотрен^ подача сигнала с выхода D3.2 и D4.1 на вход D6.1 и D6.3, ула- живающего их в сработанном состоянии до возврата до ц- или III ступени. Действие элементов схемы при КЗ. При междуфазном по» вреждении в пределах I ступени логический сигнал 0, возни- кающий при этом на выходе блокирующего элемента D2.3 поступает на диод VD13, последний открывается, и логиче- ский сигнал 0 о срабатывании I ступени ДЗ появляется на входе D7.2 выходного канала IV (рис. 11.43). При КЗ в пределах II и III ступеней выходные сигналы с D3.2 (или D3.1) и D4.1 поступают соответственно на элементы времени DT1.1 (или DT2.1 и DT2.2). По истечении установлен- ных на них выдержек времени Гц (или (ц), на входе каждого элемента времени появится неинвертированный сигнал О в виде напряжения = 1 + 1,5 В. Под действием этих сигна- лов принимающие их диоды VD9-VD11 открываются, и сигналы о действии II или III ступени приходят на диодную сборную шинку СШ. Диоды VD9-VD13 установлены для разделения це- пей, по которым приходят сигналы. При отсутствии КЗ на ка- тодных входах диодов VD9-VD13 присутствуют единичные ло- гические сигналы, полученные с выходов элементов времени и транзистора VT I ступени, поэтому все диоды заперты, а на сборной шинке СШ дежурит сигнал 1 в виде напряжения Еп % 13 В, получаемого от источника питания полупроводнико- вых элементов через VD5 и R3. Со сборной шинки СШ сигнал поступает на выходной элемент D4.2 через элемент ИЛИ-НЕ D7.2, осуществляющий инвертирование входного сигнала. Выходной элемент D4.2 воздействует на промежуточное ре- ле KL4. В нормальном режиме на выходе D4.2 дежурит сигнал 1 в виде U1 = + 15 В, поэтому KL4 не действует. При появлении сигнала о срабатывании ДЗ на выходе D4J возникает сигнал 0 в виде напряжения 17° % 0,3 В. На обмотке KL4 появляется напряжение U - Еп - 17°, реле срабатывает, передавая сигнал о срабатывании ДЗ на блок управлений, выходное реле которого РП-220 подает команду на отключе- ние выключателя. Из схемы видно, что сигнал о действии любой ступени ДО» поступающий с выхода D7.2 в виде логического сигнала 1 вход D4.2, может пройти на KL4 при условии, что на два ДРУ**^ входа D4.2 придут сигналы 1 от D7.1 (на схеме не показан^ 444
£)4.3*, которые являются выходными элементами двух устройств, контролирующих правильность функционирования элементов схемы. Функциональный контроль комплекта дистанционной за- щиты основан на следующем положении. При правильном функционировании элементов устройства релейной защиты (любой) сигнал, соответствующий срабатыванию ее измери- тельных и логических органов, не может продолжаться в те- чение времени, превышающего время действия наиболее медленно работающей Ш ступени защиты или время вывода из действия защиты блокировкой при качаниях (УБК), имею- щей выдержку времени tcpnax. Поэтому если появится сигнал о срабатывании с большим временем: tcp > £српах, то это озна- чает, что какой-то элемент схемы защиты неисправен. В данной схеме ДЗ контролируется длительность сигнала (с помощью специального элемента времени) на выходе логи- ческих каналов I, II, III ступеней, чем осуществляется конт- роль ДО и всех логических элементов каждого из названных каналов, а также длительность выходного Сигнала УДК (БК1 и БК1Г) и УБН. Основным элементом схемы контроля является логиче- ский элемент D1.2*, выполняющий функции ИЛИ-HE. На его вход приходят сигналы о срабатывании, получаемые с диод- ной сборки (VD9-VD13) через диод VD5, два сигнала от УБК и сигнал УБН. Выходной сигнал D1.2* действует на орган вре- мени DT4, работающий с выдержкой времени 10-13 с: > > Ли, *убк и губн- При срабатывании орган времени приводит в действие логический элемент D4.3*, который блокирует дей- ствия выходного элемента D4.2 и пускает Промежуточное ре- ле KL3, подающее соответствующий сигнал о действии функ- ционального контроля (ФК). В нормальном режиме все четыре сигнала на входе D1.2* ИЛИ-HE имеют уровень сигнала 1, при этом на выходе присут- ствует сигнал 0, элемент времени DT4 не действует, и на вхо- де D4.2 дежурит сигнал 1, разрешающий выходному элемен- ту действовать, если на его вход поступит сигнал о срабаты- вании ДЗ. При появлении хотя бы одного логического сигнала 0 на в*оде D1.2* элемент переключается, на его выходе появляет- ся сигнал 1, приводящий в действие элемент времени DT4. При правильном функционировании всех элементов ДЗ и от- 445
ключении с заданным временем элемент DT4 не успеет срабр. тать, так как уставка времени DT4 выбирается больше врем®, ни, установленного на ДЗ. В этом случае на выходе D4.3* ср. хранится сигнал 1, разрешающий сработать D4.2 при появлении Я сигнала 1 (о срабатывании ДЗ) на третьем входе D4.2. Я Если же сигнал о действии ДЗ или УБК был ложным, то Я элемент времени DT4 сработает, на его выходе появится сиг- V нал 1, D4.3* переключится и пошлет сигнал 0 о неисправности в схеме ДЗ на вход D4.2. На выходе последнего сохранится -I сигнал 1, не позволяющий KL4 сработать. При этом реле KL3 *' получив сигнал 0, подействует и подаст сигнал о неисправ- ности. Кроме функционального предусмотрен тестовый контроль позволяющий обслуживающему персоналу проверять правиль- ность действия всех ступеней ДЗ без подсоединения испыта- тельных устройств. Проверка осуществляется нажатием пере- ключателей, которые приводят в действие ДО всех ступеней всех фаз и связанные с ними элементы ЛЧ. Предварительно с помощью специального блока ДЗ выводится из работы, при этом размыкаются цепи отключения и производится образо- вание цепей, необходимых для проведения тестового конт- роля. Для упрощения на рис. 11.43 не показаны некоторые эле- менты, выполняющие вспомогательные функции, и их связи с рассматриваемой схемой. К ним относятся: ускорение дей- ствия II и III ступеней; возможность передачи с помощью ВЧ-канала от I ступени ДЗ импульса, разрешающего отключе- ние ЛЭП с противоположной стороны с t = 0 с и получение ана- логичных сигналов по ВЧ-каналам с противоположного конца защищаемой ЛЭП; продление действия 1 ступени от II при близких трехфазных КЗ, когда ДО I ступени срабатывает ”по памяти”; сигнализация о действии каждой ступени и схе- ма подачи команд на отключение выключателей. Конструктивно ДЗ типа ШДЭ-2801 состоит из двух кассет А1 и А2, закрепленных на металлическом каркасе шкафа ШДЭ-2801. В кассете А1 размещается блок питания БРЭ-2801, осуществляющий питание оперативных цепей и полупровод- ~ никовых элементов ДЗ. В кассете А2 расположены осталъ- ные блоки ДЗ. В этом же шкафу расположена третья кассе- & та АЗ, в которой находятся блоки МТЗНП. w- 446 1
Технические данные ДЗ ШДЭ-2801. ДЗ предназначена для работы в диапазоне температур окружающего воздуха от -10 д0 +45 °C. Время действия I ступени при КЗ - не более 0,03 с. Мощность, потребляемая цепями переменного тока, 5 В . А на фазу; цепями переменного напряжения, подключенными к обмоткам TH, соединенным в звезду, 4 В • А на фазу; цепя- ми подключенными к обмотке разомкнутого треугольника, 3 В • А. Относительная основная погрешность по сопротивле- нию срабатывания ДО всех ступеней не превышает ± 10%. Относительная дополнительная погрешность, обусловленная изменением температуры окружающего воздуха в пределах от -10 до + 45 °C, не превышает ± 5%. Коэффициент возвра- та ДО всех ступеней - не ниже 1,05. Защита работает правиль- но при изменении напряжения постоянного тока от -20 до + 10% (/ном* Защита не срабатывает ложно при воздействии ВЧ-помех, имеющих форму затухающих колебаний частоты 1 МГц. Разновидности ДЗ, выпускаемых ЧЭАЗ на ИМС. Помимо ДЗ ШДЭ-2801 завод выпускает ДЗ типа ШДЭ-2802, которая состоит из двух комплектов: основного и дополнительного резервного. Основной комплект выполняется так же, как и ДЗ ШДЭ-2801, резервный комплект состоит из двухступенчатой ДЗ. В схеме ДЗ предусмотрено разделение основного и резервного комп- лектов по цепям тока, напряжения и оперативного тока. Для ЛЭП 500-750 кВ ЧЭАЗ выпускает ДЗ типа ПДЭ-2001, которая имеет три ступени, УБК и УБН. Схема ДЗ построена с учетом интенсивных переходных процессов, возникающих при коммутациях и КЗ на протяженных ЛЭП. Для сетей 35 кВ с изолированной нейтралью выпускается односистемная трехступенчатая ДЗ типа ШДЭ-2701 с токовы- ми ПО. Для ЛЭП 10 и 35 кВ изготавливаются ДЗ типа ДЗ-10 с зависимой характеристикой выдержки времени. В качестве самостоятельных ИО для сетей ПО и 220 кВ выпускается комплект из трех ДО БРЭ-2801. 11.18. ВЫБОР УСТАВОК ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ Ниже рассматривается выбор характеристик трехступенча- той ДЗ на примере участка сети с одиночными ЛЭП, показан- ного на рис. 11.44. Выбираются уставки ДЗ А, уставки ДЗ В и С Принимаются заданными. Характеристики согласуемых защит 447
Рис. 11.44. Участок сети, защищаемый дистанционной защитой А (а) и изобра- жение характеристик выдержек времени дистанционных защит в осях (б) Рис. 11.45. Согласование характеристик дистанционных зашит АиВ двух смеж- ных ЛЭП t3 = f(Z) изображаются графически на диаграмме в осях Z, t (рис. 11.44,6). На оси Z откладываются первичные сопротив- ления прямой последовательности Zt участков сети. При выборе сопротивления срабатывания ДО необходимо учитывать погрешности, вызывающие отклонение ZC3 от при- нятой уставки Zy. Действительное значение ZC3 = Zy ± AZ. На значение AZ влияют погрешности ДО, TH и ТТ. В расчетах принимается &тт ~ ^тн ~ ± 0>®5; ДдО = ± 0,1. Помимо этих погрешностей вводится запас, учитывающий погрешности расчета и регулирования уставок. Расчет сопротивлений сра- батывания удобнее вести в первичных величинах (17р, Ip, Zp) с последующим пересчетом выбранных уставок на вторичную сторону. Первая ступень защиты. Время срабатывания I ступени tj определяется собственным временем действия ИО и элемен- тов ЛЧ ДЗ (tj = 0,02 + 0,1 с). Сопротивление срабаты- вания Z[ выбирается из условия, чтобы ДО этой зоны не мог- ли сработать за пределами защищаемой ЛЭП (И\ на рис. 11.44): ZiA = k'Z1Wi = k‘ZiJnlAB, (П-34) где Z1py1 - первичное сопротивление прямой последователь- ности защищаемой ЛЭП к- коэффициент, учитывающий Дтн и Ддсь могущие вызвать увеличение ZjA (к'- 0,85 + Ziyn - удельное сопротивление ЛЭП; 1АВ - длина 448
Из (11-34) следует, что длина I зоны 1[ = (0,85 + 0,9)1дв- Вторая ступень защиты служит для защиты с минимально возможной выдержкой времени Гц участка защищаемой ЛЭП, не вошедшего в зону I ступени. Сопротивление срабатывания g и выдержку времени Гц отстраивают от быстродействую- щих РЗ трансформаторов и ЛЭП, отходящих от шин противо- положной подстанции (рис. 11.44). Выдержка времени выбирается Г11А=Г1В + ДГ, (11.35) где Г[в - максимальное время действия быстродействующих РЗ следующего участка (tjs = 0,1 с), ДГ = 0,3 * 0,5 с. С учетом этого Гцд = 0,4 + 0,6 с. Если на ПС В имеется УРОВ (см. гл. 21), то Гцд = to + Гуров + Ar- Для согласования с линейными РЗ II зона должна быть от- строена от самой короткой 1 ступени на следующем участке (Zjb). Вторая зона должна быть отстроена ст точки К', т. е. от конца I зоны ДЗ В с учетом ее сокращения, аналогично тому как отстраивалась I зона этой же ДЗ (рис. 11.45). Отсюда, счи- тая, что источник В отключен: 2цд = + k"ZiB) = k'Ziya(JAB + к" Ibki), (11.36) где к" - коэффициент, учитывающий сокращение Zjp на AZ, принимается равным 0,9; к' - коэффициент, учитывающий возможное увеличение ZilA в результате погрешностей ДО II зоны ДЗ А (к'~ 0,85 -ь 0,9); 1АВ и lgK1 - см. рис. 11.44. Протяженность II ступени ДЗ А 1цд =(0,85 + 0,9)(/дв + 0,9/^). При наличии нескольких источников пита- ния, подключенных к шинам противоположной подстанции, расчет 2ц необходимо вести с учетом подпитки места КЗ то- ком 1К от дополнительного источника В. Сопротивление в месте установки ДЗ А, подводимое к ее зажимам: +Zbxi1k2^ki - Zwi +^tZBKi = = Ziya(?AB + kTlBK1), (11-37) гДе kT = 1К2ДК1 - коэффициент токораспределения, показы- 449
вающий, во сколько раз ток на поврежденном участке больше тока, на который реагирует ДО ДЗ*. Поскольку кт > 1, то значение 2рд, измеряемое ДО, превос- ходит действительное сопротивление ZAK1 = ZAB + ZBi^lt Поэтому 2ц следует выбирать с учетом ожидаемой подпитки по выражению ZllA = k'(ZW1 + kT/c"ZIB) = k'ZlyaQAB + kTk"lIB). (11.38) Здесь Z{B, к', к"- такие же величины, как в (11.36); кт - ко- эффициент токораспределения**, равный IK2^ki при повреж- дении в конце I ступени ДЗ В. Для отстройки от КЗ за трансформаторами Т ПС В с учетом токораспределения II ступень ДЗ А должна удовлетворять условию: Zila = к (^ivi + k-rZ? min), (11.38а) где Z mjn - сопротивление наиболее мощного трансформато- ра на ПС В с учетом его изменения (по данным завода); к'- то же, что в (11.34). При определении /ст для расчета уставки ZnA по (11.36) и (11.38) следует исходить из реально возможно- го режима сети и источников питания. За окончательное зна- чение Zn принимается меньшее из двух по (11.38) и (11.38а). Выбранное ZllA проверяется по условию надежного действия при КЗ на шинах ПС В. Согласно ПУЭ: = zuA^ZW1 > 1’^5. Для ЛЭП с сопротивлением 5-20 Ом следует стремиться, чтобы кч > 1,5 ч- 2, так как при малом кч ДЗ на ЛЭП с неболь- шим сопротивлением могут отказывать при КЗ через Rn. * Принимается, что /к1, 1К2, Асз не име}от сдвига фаз, в действительности же такой сдвиг возможен за счет различия фаз ЭДС и Ев и углов сопротив- ления ZA, ZB и ZAB. ** В приведенных выше выражениях (11.36) и кт (11.38) определяются как отношение тока, проходящего по поврежденному присоединению, к току ДЗ А, при этом > 1. В руководящих указаниях принимается отношение то- ка в рассматриваемой ДЗ к току в поврежденном присоединении, при этом к'т < 1 и входит в формулы (11.36) и (11.38) в виде множителя 1/£т. 450
Если II зона недостаточно надежно охватывает защищае- мую ЛЭП, т. е. если кч < 1,25, то ее можно отстраивать не от I, а от конца II зоны ДЗ В. При этом время действия Ц эоны ДЗ А должно отстраиваться от времени II зоны t^: taA = tllB + At, а значение ZnA должно выбираться по (11.36), в котором вмес- то 2\в НУЖНО подставить 211В. На протяженных ЛЭП с большой нагрузкой уставку Zjj, выбранную по условию надежного охвата защищаемой ЛЭП, следует проверять по условию от- стройки от нагрузки по выражению (11.42), по которому вы- бирается уставка III ступени. Третья ступень предназначается для резервирования при- соединений (ЛЭП и трансформаторов), отходящих от шин про- тивоположной ПС (В на рис. 11.44). Дистанционные органы этой ступени должны действовать при КЗ в конце наиболее длинной ЛЭП, отходящей от шин противоположной ПС, и за подключенными к ней трансформаторами. Удовлетворяющее условию резервирования обычно имеет значительную ве- личину. Поэтому вторым условием для выбора является ее отстройка от Zpa6mjn. Часто второе условие является опре- деляющим уставку и ограничивающим зону резервирования III ступени. При определении 2раб необходимо учитывать ток самозапуска электродвигателей, при котором ^раб min = {-'раб гт'п^^сзп^раб max (11.39) На транзитных ЛЭП, электрически удаленных от промыш- ленной нагрузки (ЛЭП 330-1150 кВ), /ссзп = 1 (коэффициент само- запуска). Приближенно /ссзп оценивается так же, как при вы- боре /с#3 МТЗ (см. § 4.5). Для обеспечения возврата ДО после отключения КЗ необ- ходимо выполнить условие: 2В < 2pag min ИЛИ 2В = Zpag mJn//с0ТС , (11.40) где fc0TC = }Д. Сопротивление срабатывания 2С.3(Н), обеспечивающее усло- вие возврата ДО в нагрузочном режиме при Zpa6min, находит- ся с учетом кв\ ^с.з(н) < 2SO3/kB = 2pag min/kH кв; (11.41) подставив Zpa6mi-n (11.39), получим 451
^с.з(м) Цэаб гшп/^н^сзп^раб rnax V 3. (И.42) Полученное значение ZC<5(H), так же как и Zp&§min, является комплексным вектором с аргументом, равным углу нагрузки Фн = 10-^30°. Сопротивление срабатывания III ступени ^с.з(р) определяется по условию чувствительности при КЗ в конце резервируемого участка: ^с.з(р) ~ (^Wi + и ^С.з(р) = + kTZTf (11.43) где ZW1 + kTZjy2 и Zwt + kTZT - наибольшие первичные сопро- тивления ZPtK в месте установки ДЗ А с учетом подпитки при металлическом КЗ в конце резервируемой ЛЭП и за транс- форматором (Ит2 и трансформатор Т на рис. 11.44); кч > 1,2 со- гласно ПУЭ, а при КЗ в конце защищаемой ЛЭП (на шинах В) кч> 1,5. По найденным значениям ZC>3(H) и Zc уставка срабатыва- ния III ступени Zjn выбирается так, чтобы ZC3 ДО в диапазо- не углов фн было равно или меньше ZC>3^H), а при Фр - Фк - фп ZC 3 ДО было по возможности равно или больше ZCtS^j (рис. 11.46). В ряде случаев условие резервирования (11.43) не удается выполнить из-за необходимости отстройки от нагрузки Zpa6min. Особенности выбора Дщ в зависимости от вида характери- стики срабатывания. ДО с характеристикой в виде окружности с центром в начале координат имеет одинаковые ZC3 при лю- бых Фр. Уставка срабатывания Z^ является радиусом окруж- ности и выбирается из условия отстройки от Zpa6mJr?: Zjq < < ZC.3(H), определяемому по (11.42). Зная Zp Kmax при КЗ в конце резервируемого участка, находят k4 =Zm/Zp_Kmax. ДО с круговой характеристикой, проходящей через начало координат (рис. 11.46), имеет Zc<3, зависящее от фр по уравнению Zc3 = ZC3 тахсо5(фм ч - фр). Для отстройки от нагрузки опреде- ляется ZC>3(H) по (11.42) и Фнтах- Эти величины подставляются вместо ZC3 и фр в уравнение срабатывания, из которого на- ходится = ZC3 max = Zc>3(K)/cos^M>4 - фн max) = ^раб’7пл'//^отс^в^сзп’О5(Фм.ч ~ max)' (П-44) Найденное значение Z[U является диаметром окружности, 452
Рис. 11.46. К выбору уставки срабатывания направленного реле сопротивления Рис. 11.47. К выбору уставки срабатывания реле сопротивления с четырехуголь- ной характеристикой расположенным под углом (рмч = Фл к оси & и определяющим возможную зону резервирования. Уставка срабатывания Zy = ДО с четырехугольной харак- теристикой. проходящей через начало координат, выбирается из условия резервирования по (11.43). Найденное значение ^с.з(р) показано на рис. 11.47 в виде вектора ОК, расположенного под углом (рк = Фмч к оси R. Вектор Zc.3(p) (ОК) определяет положе- ние верхней стороны четырехугольника и является предвари- тельной уставкой 111 ступени, подлежащей проверке по усло- вию отстройки от Zpa6mi-n. Отстройка от нагрузки осуществляет- ся выбором положения правой боковой стороны. Из (11.42) находится наибольшее значение ZC13(H), отстроенное от Zpa6 min> и определяется Фн тах. Если, используя имеющийся диапазон регулирования по- ложения правой стороны характеристики, обеспечить условие отстройки не удается, то необходимо уменьшить предвари- тельно выбранную уставку ZC<3(P) или сместить четырехуголь- ник в I квадрант. У ДО с характеристикой в виде треугольни- ка Zc ,з in выбирается аналогично. Проверка ZC3 ДО по току точной работы 1т<р. Проверяется, что минимальное значение тока КЗ в точке каждой ступе- ни ДЗ больше тока точной работы ДО этой ступени (при вы- бранной уставке) не менее чем в 1,3 раза: IK min ~ 1,31тр. Выдержка времени III ступени ДЗ А выбирается по условию селективности с III ступенью резервируемой ДЗ В: + 453
Рис. 11.48. Схема, поясняющая выбор уставок дистанционной защиты на ЛЭП с ответвлениями + Д(. В некоторых случаях для уменьшения сопротивление срабатывания ZlllA можно согласовывать с концом зоны Zlis следующего участка. Вторичные сопротивления срабатывания. Для пересчета первичных сопротивлений на вторичную сторону ТТ и TH ис- пользуются выражения Up.= = Up.n^ И 1рв= /„.„/К;. Вторичное сопротивление срабатывания реле Zc.p = ^р.п^р.п^Ц = (11.45) Особенность выбора уставок срабатывания ДЗ на ЛЭП с от- ветвлениями. На ЛЭП с ответвлениями, питающими понижаю- щие ПС (рис. 11.48), уставки срабатывания I и II зон дополни- тельно отстраиваются от КЗ за трансформатором ответвления; первая ступень отстраивается по выражению Z1 = k'(ZAC + ZOT + Zt)- Отстройка Zjj производится по (11.38), где вместо Z^x под- ставляется сумма сопротивлений участка ЛЭП от места уста- новки ДЗ А до трансформатора ответвления, участка ответвле- ния Z0T и трансформатора ZT: ZnA = k'ZAC + kT(Z0T + ZT). От- стройка ведется для наиболее тяжелого случая, когда W2 отключена с противоположной стороны. Выдержка времени выбирается по условию (11.35). При этом допускается неселек- тивное действие I зоны ДЗ А при КЗ в трансформаторе ответ- вления. Эта неселективность устраняется с помощью АПВ ЛЭП. Вторая зона ДЗ при повреждении в трансформаторе действует селективно, поскольку отстраивается от быстродействую- щих РЗ ЛЭП и трансформаторов. Чувствительность III зоны ДЗ 454
олжна проверяться при КЗ за трансформатором, a tiU отстраи- ваться от времени действия МТЗ трансформатора. Ток срабатывания токовых ПО, применяемых в ДЗ сети 35 кВ, выбирается так же, как и у МТЗ, по условию отстройки от нагрузки: /с з ~ ^н^сзп^раб (11.46) где кн = 1,2; 1раб тах - максимальный ток нагрузки. Если необходимо обеспечить избирательность поврежден- ных фаз (например, в ДЗ ПЗ-152 и ДЗ-1), то /с>3 должно удовле- творять также условию 4.3 = Мнеп.ф, (11.47) где = 1,2; /неп.ф “ максимальное значение тока в неповреж- денной фазе при двухфазном КЗ на защищаемой ЛЭП. Чувствительность ПО проверяется при КЗ в конце защищае- мой ЛЭП и в конце зоны резервирования по минимальному значению 1к. Согласно ПУЭ кч в первом случае должен быть не меньше 1,5, а во втором-1,2. 11.19. ОЦЕНКА ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ Основными достоинствами дистанционного принципа яв- ляются: селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания: малые выдержки време- ни при КЗ в начале защищаемого участка, которые обеспечи- ваются I зоной, охватывающей до 85-90% защищаемой ЛЭП; большая, чем у МТЗ, стабильность зон действия; значительно большая чувствительность при КЗ и лучшая отстройка от на- грузки и качаний по сравнению с МТЗ. К числу недостатков ДЗ следует отнести: невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой ЛЭП; реагирование на качания и нагрузку; воз- можность ложной работы при неисправностях в цепях напря- жения; сложность схем ДЗ и ДО. В качестве путей дальнейшего усовершенствования ДЗ можно указать следующие: сочетание ДЗ с ВЧ (см. гл. 13) или передачей отключающих (разрешающих) импульсов на противо- положные концы ЛЭП, что позволяет обеспечить быстродей- 455
ствие в пределах всей защищаемой ЛЭП; внедрение ДЗ на ИМС способствующее повышению надежности ДЗ; применение упрощенных схем ДЗ при использовании ее для резервирования основных РЗ ЛЭП и смежных участков; разработка и примене- ние ДЗ, построенных на микропроцессорах, что позволит повы- сить ее надежность и технические параметры. Вопросы для самопроверки 1. Какой принцип действия положен в основу дистанционной защиты? 1. Из каких органов состоит трехступенчатая дистанционная защита? 3. Как выбираются уставки первой ступени ДЗ? 4. Какие виды характеристик срабатывания PC используют- ся в современных ДЗ? 5. Для каких линий угол максимальной чувствительности PC принимается + 65°? 6. Каково назначение промежуточных преобразователей тока и напряжения в дистанционных защитах на ИМС? 7. Какие виды блокировок необходимо применять в ДЗ? 8. Какие факторы влияют на работу измерительных орга- нов ДЗ? 9. Каковы преимущества четырехугольной характеристики, применяемой на пусковых и дистанционных органах? 10. Какие схемы включения дистанционных органов исполь- зуются в защитах от междуфазных КЗ и от замыканий на землю? 11. Какие виды ДЗ применяются в России и в чем их разли- чие? 12. Принцип действия PC на сравнении абсолютных значе- ний двух электрических величин. 13. Принцип действия PC на сравнении фаз двух электриче- ских величин. 14. Принцип изображения характеристик срабатывания на комплексной плоскости. 15. Из каких четырех частей состоит структурная схема PC, выполненного на ИМС?
Глава двенадцатая ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НЕПРАВИЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ ЗАЩИТЫ ПРИ КАЧАНИЯХ 12.1. ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ РЕЛЕ ПРИ КАЧАНИЯХ Явления, называемые качаниями, возникают при нарушении синхронной работы генераторов энергосистемы. Качания со- провождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети. На эти изменения тока и напряжения РЗ реагирует так же как на симметричные КЗ. Рассмотрим упрощенную схему энергосистемы (рис. 12.1, а), состоящую из двух генераторов Од и GB, связанных ЛЭП. При синхронной работе генераторов электрические частоты вращения и с которыми враща- ются векторы ЭДС ЕА и Ев, одинаковы. При нарушении син- хронизма частоты вращения векторов ЕА и Ев становятся раз- личными. Если предположить, что частота вращения п ротора генератора GA стала большей, чем генератора GB, то и элект- рическая частота вращения Юд > Юд. В результате этого век- рис. 12.1. Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях: а — простейшая электрическая система и схема ее замещения; б, в — вектор- ные диаграммы при различных значениях угла 6; г — распределение напряже- ния в системе при б = 180° 457
тор Ед (рис. 12.1,6) будет вращаться относительно Ев с угло-'И вой частотой скольжения w5 = Ыд - wfl, опережая ЭДС Ев На Я угол 6. Вектор разности этих ЭДС ЛЕ = Ед - Ев будет менять Я свою величину в зависимости от угла б. Полагая, что |Ед| _ Я = Ы = |£|, из треугольника ОАВ (рис. 12.1, 6) находим Я ЛЕ = 2Esin-^-, (12Д) где угол б - функция времени t и скольжения При а = const угол б = с учетом этого ЛЕ = 2Е$т ——t. Выражение (12.1) показывает, что действующее значение ДЕ меняется по закону синуса и достигает максимума ДЕпах = ’ = 2Е при б = 180° (рис. 12.1, в), а минимума при 6 = 0. Ток качания. Под влиянием ЭДС ЛЕ в сети, соединяющей генераторы GA и Gr, появляется ток качания ? Лсач = ЛЕ/2дд. (12.2) Сопротивление ZAB - \/ХдВ + RAB является сопротивле- нием цепи, по которой замыкается ток 1К&Ч. Пренебрегая ак- , тивным сопротивлением RAb, можно считать, что ток /кач от- стает от ЭДС ДЕ на 90°. Подставив в (12.2) ЛЕ из (12.1), получим 1кач = 2Е sin —/ХАВ. (12.3) Характер изменения /кач по времени показан на рис. 12.2, а. Максимального значения /кач достигает при б = 180°, т. е. когда ЭДС Ga и GB противоположны по фазе и ЛЕт становится мак- симальным: I^4max = 2E/ZAB. (12.4) При 6 = 0, когда ЭДС генераторов совпадают по фазе, Дсач снижается до нуля. Однако в действительности при 6 = 0 ток /кач будет отличен от нуля, так как обычно ЕА Ф Ев. Фазное напряжение £/кач в точке М ДЭП, связывающей вышедшие из синхронизма генераторы GA и GB (рис. 12.1, о), Um = Еа - 1качУХдМ. Здесь 1кач/ХлМ - вектор падения напря- жения на участке AM, он опережает /кач на 90° и поэтому изо- бражен на рис. 12.1,6 составляющим часть ЛЕ, пропорциональ- 458
рис 12 2. Характер изменения элект- рических величин на зажимах реле При качаниях: а - тока; б - напряжения; в - со- противления ную сопротивлению участка AM. Конец вектора С7кач в точ- ке М и в каждой другой точке ЛЭП будет находиться на отрез- ке АВ. При этом чем ближе рассматриваемая точка располо- жена к точке К, тем меньше значение Цкач (рис. 12.1, б). В точ- ке К напряжение Пкач имеет минимальное значение. Эта точ- ка называется электрическим центром качаний (ЭЦК). Вектор напряжения U% в ЭЦК перпендикулярен вектору ДЕ (АВ), а его значение определяется из треугольника ОАК. Электри- ческий центр находится в середине сопротивления ХАВ при условии, что ЭДС Ех = Е2, а сопротивление на всех участках сети однородно. С изменением угла 6 изменяются напряже- ния во всех точках сети. При 6 = 180° напряжение в ЭПК снижа- ется до нуля, в остальных же точках оно отлично от нуля и равно = 1Ка.ч^км (рис. 12.1, г). На рис. 12.2,6 показан харак- тер изменения напряжения в точках Ми К сети в функции угла. На рис. 12.2,в приведены кривые изменения сопротивления Для тех же точек сети: ZM = UM//:<a4 и ZK - U%/IK&4. Действую- щие значения токов качаний всех фаз равны по абсолютному значению и смещены по фазе на 120°. Из (12.3) следует, что на- пряжения трех фаз в каждой точке сети во время качаний, т&к же как и токи 7кач, равны и сдвинуты относительно друг Друга на 120°. 459
12.2. ПОВЕДЕНИЕ ЗАЩИТЫ ПРИ КАЧАНИЯХ Поведение измерительных и пусковых органов тока, напря- жения и сопротивления. Сопоставляя уставки срабатывания соответствующих РЗ с кривыми изменения 1кач, Пкач, 2кач (рис. 12.2), легко убедиться в том, что реле, реагирующие на ток, напряжение и сопротивление, приходят при качаниях в действие. Особенно неблагоприятные условия для РЗ, реаги- рующих на U и Z, возникают в ЭИК и близлежащих от него точках. Период качаний Ткач зависит от степени расхождения частот вращения синхронных генераторов. Чем больше разни- ца между мА и Wg, тем меньше период качаний Ткач. Как вид- но из Кривых на рис. 12.2, РЗ действуют только в течение части периода качаний Т'. Так, например, токовые реле срабатывают при 4ач > 4.р и возвращаются при снижении /кач до значе- ния 4оз- Аналогично ведут себя реле напряжения и реле со- противления. РЗ, действующие мгновенно, могут сработать при любом значении периода качаний при условии, что у то- ковых реле Д р < Дач max, а У реле напряжения и сопротивле- ния иС'£ и Zc>p соответственно больше, чем Скач тп и ZKa4 min. РЗ, имеющие выдержку времени, действуют при качаниях только при условии, что период качаний превышает время работы РЗ. Однако РЗ с выдержкой времени могут подейство- вать и при очень малых периодах качаний, если время возвра- та реле tB03 оказывается больше времени Т"(рис. 12.2, а). В этом случае реле не успевает вернуться за время спада качаний и, удерживаясь в сработанном состоянии, может подейство- вать через несколько циклов качаний, когда истечет время его действия. Различают два вида качаний: синхронные и асин- хронные. В первом случае нарушение синхронной работы не сопровождается нарушением устойчивости (асинхронным хо- дом) генераторов. При этом разница электрических частот гене- раторов м5 = Мд - Мр быстро уменьшается, приближаясь к ну- лю, а угол 6 в процессе качаний не достигает 180°. Во втором случае происходит нарушение устойчивой работы генераторов. Роторы вышедших из синхронизма машин и их ЭДС проворачиваются относительно друг друга, а угол б пРе" восходит 180°. Для таких качаний характерны нарастания угло- вой частоты скольжения и уменьшение периода ТкаЧ- На- 460
Рис. 12.3. Отказ в действии РЗ при КЗ, сопровождаемом качаниями пряжение и ток достигают при этом своих предельных зна- чений. Опыт показывает, что РЗ с выдержкой времени 1,5-2 с, как правило, не успевают срабатывать во время качаний. Поведение направленной высокочастотной РЗ. Неправиль- но работают при качаниях и органы направления мощности ВЧ РЗ. Из диаграммы на рис. 12.1, в, г видно, что при изменении угла 6 от 0 до 360° угол сдвига между токами в РЗ и напряже- нием в данной точке сети (например, М) будет принимать ряд значений от 0 до 180° и от 180 до 360°. При 180° напряжения по обеим сторонам точки К ЭЦК находятся в противофазе (рис. 12.1, в, г). В результате этого мощность по концам ЛЭП MN, на которой расположен ЭНК, будет иметь положительный знак и, следовательно, направленная ВЧ РЗ, основанная на сравнении мощностей по концам ЛЭП, будет действовать так же, как и при КЗ в ее зоне, т. е. на отключение ЛЭП. Отказ РЗ при качаниях. Во время качаний возможна не только неправильная работа РЗ, но и ее отказ в действии при КЗ. Типичная схема, при которой возможен подобный случай, изображена на рис. 12.3, а. Если при КЗ на нарушит- ся синхронная работа электростанций А и С, возникнут кача- ния, то напряжение на подстанции В, от которой питается поврежденная ЛЭП, будет пульсировать с частотой, определяе- мой периодом качаний Ткач. Вместе с напряжением будет колебаться и ток КЗ в WI IK = Ub^bk (рис. 12.3, б). Если период качаний Ткач окажется меньше выдержки времени РЗ, а мини- мальный ток 1кт1п < 1В0Э, то последняя не сможет подейство- вать на отключение. 461
12.3. МЕРЫ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ НЕПРАВИЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ РЗ ПРИ КАЧАНИЯХ Как следует из сказанного, при качаниях возникают уело- вия для неправильных, хаотических действий РЗ, которые Я приводят к тяжелым системным авариям. Важным требова- Я нием, предъявляемым к РЗ, является недействие ее при ка- Я чаниях. Некоторые РЗ, например дифференциальные, не реаги- Я руют на качания по своему принципу действия. Большинство « же РЗ воспринимают качания как симметричное КЗ, и поэто- ] му требуются специальные меры, предотвращающие возмож- Я ность их ложной работы. В качестве таких мер используются к три способа. з'| Первый из них, наиболее простой, состоит в том, что I параметры срабатывания пусковых реле РЗ выбираются с та- ® ким расчетом, чтобы они не действовали при качаниях. С этой £ целью ток срабатывания должен выбираться больше макси- I мального тока качания Ic 3 > /кач, у ДЗ Zc 3 должно быть меньше | минимального значения сопротивления, возможного в дан- $ ной точке сети при качаниях: Zc<3 < 2качт1п. Последнее уело- # вие можно выполнить, если ЭЦК лежит за пределами зоны < действия ДЗ. Практически этот путь предотвращения ложной $ работы РЗ при качаниях применим только для токовых отсе- чек и первых зон ДЗ. В качестве второго способа слу- § жит отстройка от качаний при помощи выдержки времени по- , рядка 1-2с. Это применимо в тех случаях, когда указанное замедление РЗ допустимо по условиям устойчивости и селек- тивности. И наконец, третьим способом предотвраще- ния ложной работы РЗ при качаниях является применение блокировок, выводящих РЗ из действия при возникновении качаний. Блокирующие устройства должны удовлетворять двум основ- ным требованиям: 1) выводить РЗ из действия при качаниях, возникших как в нормальном режиме, так и при КЗ; 2) не долж- ны препятствовать работе РЗ, если во время качаний на защи- щаемом ею участке возникает КЗ. Разработаны два типа бло- кирующих устройств: одно отличает КЗ от качаний по появ- лению несимметрии тока или напряжения сети, а вто- рое - по скорости изменения тока, напряжения или со- противления в месте установки РЗ при КЗ и качаниях. 462
12.4. БЛОКИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, РЕАГИРУЮЩЕЕ НА НЕСИММЕТРИЮ ТОКОВ ИЛИ НАПРЯЖЕНИЙ СЕТИ Характерным признаком, отличающим симметричные кача- ния от КЗ, служит появление кратковременной несимметрии ТОКОВ и напряжений при КЗ. При двухфазных и однофазных КЗ токи и напря- жения всегда несимметричны (см. §1.3). При металлических трехфазных КЗ равенство со- противлений фаз не нарушается, поэтому токи и напряжения в этом режиме симметричны. Однако исследования и опыт эксплуатации показывают, что трехфазные повреждения обыч- но начинаются с замыкания одной или двух фаз, а затем пере- ходят в трехфазные КЗ. Такое положение имеет место даже при включении ЛЭП на трехфазную закоротку, вследствие разновременности замыкания фаз контактами выключателя. Помимо этого и при одновременном замыкании трех фаз вследствие переходных процессов, возникающих в первич- ных и вторичных цепях измерительных трансформаторов, появляется кратковременная несимметрия вторичных вели- чин. В результате по отмеченным причинам в начальный мо- мент трехфазного КЗ кратковременно возникает несиммет- рия. Наиболее четким признаком несимметрии, а следователь- но, и КЗ является появление составляющих ОП (U2 и 12~) в то- ках и напряжениях. Поэтому устройства, отличающие КЗ от качания по появлению несимметрии, выполняются реагирую- щими на составляющие ОП. Принцип действия такого блоки- рующего устройства состоит в том, что оно разрешает работать РЗ при КЗ, когда появляются составляющие ОП, и запрещает ей действовать на отключение, если 12 и U2 не появлялись, блокируя таким образом РЗ при качаниях и симметричной на- грузке. Блокировки при качаниях, реагирующие на абсолютные значения 12 или U2, пока имеют преимущественное распро- странение в отечественных ДЗ. Они выполнены на электроме- ханических реле с готовностью к повторному пуску через опре- деленное время после отключения КЗ. Серийно выпускаются устройства блокировки при качаниях (УБК) двух типов: КРБ-125 с ПО, реагирующими на U2 и 3/0, и КРБ-126 с ПО, реагирую- щими на 12 и 3/0. 463 к
Принципиальная схема блокирующего устройства типа KPfi ’ с возвратом и готовностью к действию через определенное (заданное) время tB. На рис. 12.4, а, б приведены схемы блокц. ‘ рующего устройства с токовым ПО, реагирующим на ток / и дополнительно, для повышения чувствительности при КЗ на землю, на ток IQ. Схема ПО (рис. 12.4, а). Ток 12 получается с помощью фильтра ОП Ф2, на выход которого включен понижающий трансформатор ТА2. Ток 310 получается от промежуточного трансформатора тока ТАО, который включен в рассечку нуле- вого провода ТТ. Токи 12 и 310 выпрямляются V51 и VS2, сумми- руются и подаются в обмотку Р исполнительного реле пуско- вого органа КА. В качестве исполнительного реле служит Рис. 12.4. Принципиальная схема бло- кировки при качаниях типа КРБ-126. Контакты показаны в положениях, соответствующих отсутствию токов: а — схема цепей переменного то- ка,- б - характеристика срабатывания реле; е — цепи постоянного оператив- ного тока 464
г поляризованное реле с двумя обмотками: рабочей Р и тормоз- ной Т. Тормозная обмотка Т питается выпрямленным током одной из фаз и противодействует срабатыванию реле. Ток рабочей обмотки (I2 + kIQ) действует на срабатывание. Ток срабатывания реле КА (рис. 12.4, б) зависит от тормоз- ного тока 1Т - 1ф и выражается уравнением: 1Сф = 1Н + кт1т, где ку - коэффициент торможения; /н - ток срабатывания реле при отсутствии торможения, которое предусмотрено для предот- вращения ложной работы ПО блокировки во время качаний. При КЗ 12 и 10 достаточно велики, поэтому несмотря на тормо- жение реле должно надежно срабатывать. Чувствительность ПО и коэффициент торможения кт регулируются изменением витков трансформаторов ТА1, ТАЗ и ТАО. Конденсатор С6 и дроссель L2 сглаживают кривую выпрямленного тока. Конден- сатор С4 и дроссель L1 фильтруют токи высших гармоник (главным образом 5-й), которые могут вызвать появление то- ков небаланса в рабочей обмотке ПО, так как соотношение сопротивлений плеч фильтра Ф2 подобрано для частоты 50 Гц. Трансформаторы ТА2 и ТАО служат для уменьшения токов 12 и /0 до значений, безопасных для выпрямителей VS1 и VS2. Логическая схема устройства показана на рис. 12.4,в. Она одинакова для устройств, реагирующих как на ток, так и напряжение ОП. В состав схемы входит промежуточное реле KL1, осуществляющее пуск и вывод из работы блокируе- мой РЗ по команде ПО устройства КА, реле времени КТ и про- межуточное реле KL2 с замедленным возвратом (на время At ~ 0,2 + 0,3 с), выполняющие операции по прекращению пус- ка РЗ через время At, достаточное для ее срабатывания, по I запрету повторного пуска РЗ в течение заданного времени *гот и по восстановлению готовности всех реле логической схемы к новому пуску. Для надежного действия блокирующего устройства при трехфазном КЗ пусковой орган КА и промежуточное реле KL1 должны иметь повышенное быстродействие (0,009 с), позволяю- . Щее им реагировать на кратковременную несимметрию, появ- ляющуюся в начальный момент этого повреждения. Чтобы обеспечить это условие, применяется особая схема пуска KL1, позволяющая улавливать кратковременное срабатывание ПО (КА) и фиксировать его на время, необходимое для дейст- ( вия РЗ. Для этого в исходном режиме обмотка KL1 непрерыв- к 465
но питается током через замкнутые контакты КА.1 и KL1.2 (рис. 12.4, в). Реле KL1 находится в сработанном состоянии, контакт KL1.1, осуществляющий пуск РЗ, разомкнут. Контакт KL1.2 замкнут. Контакт KL1.3, пускающий реле времени КТ, разомкнут. Промежуточное реле KL2 обтекается током и на- Я ходится в сработанном состоянии - его контакты разомкнуты. Я При КЗ появляются составляющие ОП и НП; ПО срабатывает, Я его контакт КА.1 размыкает цепь обмотки KL1, подвижная s система которого возвращается, контакт KL1.2 размыкается, >' и KL1 остается в обесточенном состоянии независимо от по- - ложения контакта КА.1, фиксируя таким образом его кратко- временное действие. После обесточения обмотки KL1 контакт KL1.1 замыкает цепь отключения блокируемой РЗ, разрешая ей срабатывать, a KL1.3 подает ток в обмотку реле времени КТ, которое приходит в действие. Его мгновенный контакт КТ.2 замыкается, обеспечивая самоудерживание реле КТ, второй мгновенный контакт КТ.1 размыкается, прерывая ток в обмот- ке промежуточного реле KL2 (рис. 12.4, в). Якорь этого реле от- падает с замедлением, через время * 0,2 + 0,3 с контакт KL2.1 замыкается, подавая ток в обмотку реле KL1. Последнее вновь срабатывает и выводит блокируемую РЗ из действия. При этом повторный пуск РЗ при срабатывании КА будет ис- ключен, так как контакт КА.1 зашунтирован контактом KL2.1. Возврат схемы в начальное состояние (готовности к дейст- вию) происходит после замыкания контакта реле времени КТ.З, который шунтирует обмотку реле времени, и оно, а сле- довательно, и KL2 возвращаются в исходное положение. После этого логическая схема готова к повторному действию. Для исключения ложной работы ПО от небалансов при ка- чании, а на участках с несимметричной нагрузкой и от состав- ляющих ОП уставка срабатывания ПО отстраивается от этих величин. Это загрубляет блокирующее устройство. Кроме не- достаточной чувствительности ПО, реагирующий на абсолют- ные значения U2 или 12, имеет два принципиальных недо- статка: такой ПО может сработать не только при КЗ, но и при операциях по включению и отключению выключателей на симметрично нагруженных элементах сети, вследствие появ- ляющейся кратковременной несимметрии, вызванной разно- временностью замыкания и размыкания фаз контактами вы- ключателя. Если указанная коммутация произойдет во время качаний или перегрузки, то ПО вводит в действие блокирУе' 466
муЮ рз, и она может подействовать ложно. Возможен отказ 00 при трехфазном КЗ, когда начальная несимметрия отсут- ствует или ее продолжительность недостаточна для срабаты- вания ПО. Блокировка при качаниях с пуском от тока 12 не действует в симметричных режимах сети при любых неисправностях в цепях TH и может благодаря этому служить блокировкой ДЗ от повреждений в цепях напряжения. Блокировка от качаний с пуском от U2 таким свойством не обладает. Поэтому БК с токовым пуском часто используется как блокирующее устрой- ство при качаниях I ступени и пусковое устройство II и III сту- пеней ДЗ. Такой пуск медленнодействующих ступеней предупреждает их ложное срабатывание при неисправности в цепях напряже- ния, в том числе и при одновременном исчезновении напряже- ния на трех фазах первичной стороны TH. Выбор уставок ПО блокировки, выполненных по рис. 12.4. Реле напряжения или тока должно быть отстроено от макси- мальных небалансов, возникающих на выходе фильтра при симметричных режимах, и надежно работать при двух и одно- фазных КЗ в конце зоны блокируемой ступени. По первому условию: ^2С,р = кн^Нб.ф ИЛИ ^2С.р = ^Н^нб.ф, (12.5) где Пнб.ф - напряжение небаланса на выходных зажимах фильтра Ф2 при максимальном значении рабочего напряжения, а 1нб.ф - вторичный ток небаланса фильтра при максимальном значении токов качания. По второму условию: ^2с.р = H2min/(k4.K[j) или /2ср = (12.6) Где Щтп и I2min ~ минимальные напряжение и ток ОП при КЗ в конце зоны блокируемой РЗ; кч - коэффициент чувствитель- ности, равный 1,5. При недостаточной чувствительности реле ОП применяет- ся комбинированный пуск от U2 + kIQ или I2 + к10, а также тор- можение от тока фазы. Выдержка времени на возврат БК в исходное положение (контакт КТ.З на рис. 12.4, в) определяется по следующему вы- 467
ражению: ^ГОТ ^0ТКЛ1 + (АПВ + ^0ТКЛ2’ (12.7) где £0ТКл1 и ГОткл2 ” наибольшее время отключения КЗ первый раз и после АПВ соответственно; Гдпв - время действия АПВ 12.5. УСТРОЙСТВО БЛОКИРОВКИ ПРИ КАЧАНИЯХ, РЕАГИРУЮЩЕЕ НА СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Скорости изменения электрических величин при КЗ и ка- чаниях различны. В первом случае ток, напряжение и сопро- тивление изменяются почти мгновенно от своего нормального значения до значения при КЗ (рис. 12.5). При качаниях те же величины меняются постепенно. Это различие и положено в основу схемы блокировки, изображенной на рис. 12.6. Устрой- ство блокировки выполняется при помощи двух пусковых реле, реагирующих на увеличение тока (1К, /кач) ИЛи уменьше- ние сопротивления и имеющих разные уставки срабатывания. На рис. 12.6,а приведена схема на электромеханических реле, предназначенная для блокирования дистанционных за- щит. В качестве пусковых реле используются реле минималь- ного сопротивления KZ1 и KZ2. Примем, что реле KZ1 чувстви- тельнее реле KZ2. Уставка срабатывания KZ1 выбирается из условия его недействия в режиме максимальной нагрузки _ _ 2раб min , по выражению Zc>31 ------- (так же как и у пускового органа KqTC^B Рис. 12.5. Сравнение характера изменения электрических величин при КЗ и К* чаниях: а — тока; б — напряжения; в — сопротивления 468
Рис. 12.6. Схема блокировки с двумя PC (а) и их характеристики (б) дистанционной защиты, см. §11.18). Сопротивление срабаты- вания более грубого реле KZ2 должно быть меньше Zc-31, но в то же время удовлетворять условию надежного действия при КЗ в конце зоны блокируемой защиты. Для выполнения логи- ческих операций по блокированию защиты в схеме предусмот- рено промежуточное реле KL с одним размыкающим и вто- рым замыкающим контактами. При появлении качаний сопротивление на зажимах пуско- вых реле 1, 2 (в первый момент нарушения устойчивости) начи- нает плавно снижаться [см. ZKa4 = f(t) на рис. 12.6, 6]. Первым срабатывает более чувствительное реле KZ1, а затем, через небольшой интервал времени At, придет в действие KZ2, когда Zp = ^кач снизится до точки 2. Сработав, реле KZI мгно- венно через еще замкнутый контакт KZ2 замкнет цепь об- мотки реле KL. Последнее придет в действие и разомкнет своим верхним контактом KL.2 оперативную цепь защиты, блокируя ее действие, а через нижний контакт обеспечит самоудержание (в сработанном состоянии) до тех пор, пока KZ1 не вернется в исходное состояние (что произойдет, когда ^кач начнет увеличиваться и пройдет точку 4 своей характери- стики). При КЗ пусковые реле KZ1 и KZ2 срабатывают мгновенно и одновременно, как это следует из характеристики ZK = /(t). При срабатывании реле KZ2 размыкает цепь пуска реле KL, осуществляющего блокировку защиты. Реле не успевает сра- ботать, разрешая защите действовать. 469
Самым тяжелым условием работы рассматриваемой схемы УБК являются качания с малым периодом Тк, имеющим место при асинхронном ходе генераторов. Чем меньше период кача- ний, тем меньше интервал времени At между срабатыванием пусковых реле KZ1 и KZ2. Если время At окажется меньше вре- мени действия реле KL, то оно сработает и защита не будет блокирована. Поэтому для повышения надежности действия блокировки необходимо повышать быстродействие на сраба- тывание пусковых реле KL, а также больше должно быть раз- личие в уставках пусковых реле. Очевидно, что последнее требование ограничивается приведенными выше условиями выбора уставок срабатывания пусковых реле. В качестве пусковых реле могут использоваться дистан- ционные органы третьей и второй ступеней дистанционной защиты. Применение рассмотренного принципа затруднено на длинных и сильно загруженных линиях из-за того, что по условию отстройки от нагрузки Zc<31 приходится загрублять (уменьшать), a ZC32 - увеличивать для обеспечения надеж- ного действия в конце защищаемой линии и зоны резервиро- вания. В результате этого разность уставок KZ1 и KZ2 может оказаться недостаточной для надежной работы блокировки. Недостатком рассмотренной схемы является то, что она не реагирует на качания, возникающие в процессе внешнего КЗ, поскольку при этом выведена из работы (цепь пуска KL разомк- нута). Аналогичная схема может быть выполнена на ИМС. 12.6. БЛОКИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, РЕАГИРУЮЩЕЕ НА СКАЧКООБРАЗНОЕ ПРИРАЩЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (ВЕКТОРОВ ТОКА ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ) В отечественных энергосистемах и за рубежом разработаны и используются несколько вариантов УБК, основанных на раз- личии скорости изменения электрических величин (сопротив- ления Z, тока I, напряжения U) при качаниях и КЗ. Ниже рас- сматривается новый вариант подобных УБК, реагирующих на скачкообразное увеличение (приращение) модуля и угла век- тора тока обратной последовательности AZ2/At, имеющих меС* то только при КЗ. Устройство разработано во ВНИИР (г. Чебок- сары) при участии проектного института ’’Энергосетьпроект и применяется в дистанционных защитах типа Н1ДЭ-2801 и ПДЭ-2001, выпускаемых АО ЧЭАЗ. 470
ПО 12 Рис. 12.7. Структурная схема пускового органа УБК Устройство состоит из измерительных (пусковых) органов и логической части. Измерительный орган имеет два пусковых органа (рис. 12.7): основной ПО 12, реагирующий на приращение тока обратной последовательности, рассчитанный на действие при всех ви- дах КЗ, сопровождающихся появлением составляющих 12; дополнительный ПО реагирующий на приращение состав- ляющей тока прямой последовательности AJj/At. Дополнительный орган предназначен для обеспечения надежного действия УБК при К{3\ если из-за отсутствия или малого значения 12 основной ПО 12 не подействует. Структуру ПО и принцип выделения аварийной составляю- щей рассмотрим на примере основного комплекта ПО 12. То- ки защищаемого объекта, получаемые от измерительных ТТ, преобразуются в промежуточном трансформаторе тока ПТТ и поступают на вход фильтра обратной последовательности Ф-2, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональ- ное составляющей обратной последовательности тока защи- щаемой линии U<t>2 - kl2. С выхода Ф2 сигнал поступает на блок выделения БВ1, осуществляющий выделение приращения вектора тока 12 (или пропорционального ему напряжения W2), имеющего место при появлении КЗ. 471
Схема блока БВ1 состоит из двух параллельных цепей инерционной цепи ИЕН и безынерционной цепи БИЦ1, сумма- тора 2, осуществляющего сложение сигналов, поступающих с указанных цепей. Инерционная цепь содержит активный по- лосовой фильтр Фп, замедляющий прохождение синусоидаль- ного сигнала промышленной частоты, поступающего на его вход на 0,01 с (время половины периода синусоидального тока с частотой f = 50 Гц) и одновременно инвертирующий фазу сигнала на 180°. Безынерционная цепь (БИЕГ) передает сигнал без задержки (мгновенно) и без изменения фазы, так как цепь имеет только активное сопротивление R (X - 0). Сигналы це. пей поступают на сумматор 2. Параметры схемы подобраны так, чтобы в установившемся режиме (после затухания переходного процесса в полосовом инерционном фильтре Фп) выходные сигналы обеих цепей были равны и противоположны по фазе. При этом условии выходной сигнал сумматора будет пропорционален разности входных сигналов Сгвых £ = k'(kl2 - W2(t)), т. е. будет равен нулю. Это озна- чает, что в нормальном режиме, когда по защищаемой линии проходит ток нагрузки (при котором 12 ~ 0), выходной сигнал Ф2 к12 будет равен небалансу, обусловленному погрешностями измерительных ТТ и самого фильтра. Сигнал на выходе блока приращения БВ1 при этом будет отсутствовать, и, следова- тельно, небаланс в нормальном режиме не будет влиять на работу ПО. При скачкообразном увеличении напряжения U2 на выходе фильтра Ф2 с к12 до кГ2 новое напряжение поступит на вход сумматора по безынерционной цепи практически мгновенно, а так как в инерционной цепи сигнал не может измениться скачком, то он останется неизменным: kl2(t). Поэтому в первый момент переходного процесса на выходе сумматора появится сигнал, пропорциональный разности вход- ных напряжений kl2 - kl2(t) - к&12. Таким образом, благодаря наличию инерционной цепи схема БВ1 выделяет приращение входного вектора. По мере затухания переходного процесса W2(t) будет нарастать и через t = 0,01 с достигнет нового уров- ня кГ2(Г), при котором к&12 станет равной нулю. Однако схема БВ1 имеет недостаток - в режиме качания то- ки качания достигают больших значений, изменяется частота тока fK * 50 Гц, что приводит к резкому увеличению амплитуды тока небаланса, а из-за отклонения частоты меняется частот- ная характеристика полосового фильтра Фп. В результате на- 472
пущается равенство токов, поступающих на вход сумматора S, и на его выходе появляется напряжение небаланса, от кото- рого необходимо отстроить ток срабатывания ПО (т. е. снизить его чувствительность). Чтобы исключить ложное действие при качаниях от 1Нб и не снижать чувствительности У БК, возникла необходимость введения дополнительного блока БВ2. Он со- стоит из двухполупериодного выпрямителя VS1 и двух реаги- рующих элементов: чувствительного РЭ1 и более грубого (в 1,5-2 раза) РЭ2. Выпрямительный мост используется как селектор прошедших через выпрямитель положительных (+) и отрицательных (-) сигналов (полуволны синусоидального напряжения, поступающие с выхода сумматора на вход выпря- мителя). На вход 1 моста VS1 сигнал сумматора поступает непосредственно без изменения фазы, а по второй цепи на вход 2 моста сигнал сумматора идет через инвертор ИС с из- менением фазы на 180°. По абсолютному значению оба сигнала одинаковы. Как видно из рис. 12.7, выпрямленные сигналы положительного знака собираются на нижней шинке моста п (отмеченной знаком ”+”), на верхнюю шинку т (обозначенную знаком ”-”) приходят сигналы отрицательной полярности. Выходные цепи выпрямителя с отрицательной шинки прихо- дят на входы 1 РЭ1 и РЭ2 без задержки и соответствуют выход- ному сигналу сумматора. На те же входы 1 приходит выпрям- ленный сигнал с положительной шинки VS1 с задержкой по времени, определяемой постоянной времени контура RC в цепи ИЦ2. В эту же точку приходит опорное напряжение + Uon, снимаемое с делителя напряжения положительного знака, определяющее напряжение срабатывания ПО. В нормальном установившемся режиме сигналы, поступаю- щие с шинок моста ” + ” и уравновешиваются, поскольку они равны по значению и противоположны по знаку. Поэтому под действием + Uon на выходе реагирующих элементов дежурят отрицательные сигналы, означающие, что ПО не работает и быстродействующие ступени заблокированы, независимо от Уровня небалансов, а также от значения 12 нагрузки. При КЗ происходит скачкообразное изменение сигнала, по- являющийся ток КЗ на выходе сумматора поступает на выпря- мительный мост. Соответственно мгновенно возрастает на- пряжение на отрицательной шинке выпрямителя, и этот сиг- нал поступает на входы 1 РЭ1 и РЭ2. Положительный сигнал в точке п выпрямительного моста в первый момент КЗ оста- 473
ется неизменным, а затем плавно нарастает по мере заряда конденсатора контура RC. В результате, при достаточном зна- чении скачкообразного приращения сигнала отрицательного знака, сумма сигналов на входах 1 реагирующих элементов имеет отрицательный знак. При этом на их выходе появляет- ся сигнал положительного знака, передающий на логическую часть через диоды VD1, VD2 сигнал о срабатывании ПО УБК. При К(3) работают оба ПО 12 и1р а при отсутствии несиммет- рии действует только дополнительный ПО 12, реагирующий на скачкообразное появление составляющей прямой последо- вательности. В режиме качаний на вход VS1 с выхода сумматора поступа- ет медленно изменяющееся переменное напряжение неском- пенсированного небаланса. Параметры схемы подобраны так, что возникающий при этом отрицательный сигнал на VS1 бу- дет меньше положительного с учетом опорного напряже- ния Поп. Поэтому на выходах РЭ возникнут сигналы отрица- тельного знака, при которых логическая схема не работает (иначе говоря, ПО не действует). Применение блока БВ2 позволяет надежно отстроиться от небаланса при качаниях и сохранить высокую чувствитель- ность ПО. Дополнительный ПО выполнен и работает аналогично, но его входной ток поступает с фильтра Ф1. Принципиальная схема ПО, реагирующего на резкое прира- щение тока 72(A/2/At), приведена на рис. 12.8. Участки схемы, соответствующие структурным элементам схемы на рис. 12.7, выделены пунктирным контуром и обозначены так же, как и на структурной схеме. Фильтр ОП (фильтр Ф2 на рис. 12.7) выполнен на операцион- ном усилителе (ОУ) А1 (рис. 12.8) с частотным фильтром ФВЧ в цепи обратной связи по схеме, рассмотренной в гл. 2, для ограничения прохождения высших гармоник, искажающих ра- боту ПО. Принципиальная схема блока БВ1 (БВ1 Д12 на рис. 12.8), выделяющего приращение 72(AZ2/At) на переменном токе, состоит из суммирующего усилителя АЗ, выполненного на ОУ> и инвертирующего частотного полосового фильтра Ф, настроен- ного на рабочую частоту 50 Гц. Фильтр Ф представляет собой инвертирующий ОУ А2, в цепи обратной связи которого вклю- 474
Рис. 12.8. Принципиальная схема пускового органа устройства блокировки при качаниях на основе операционных усилите-
чен фильтр по схеме двойного Т-образного ЯС-моста. Рассмат-^И риваемый фильтр Ф является инерционным элементом, замед.^И ляющим прохождение быстро изменяющихся сигналов вслед.^В ствие наличия конденсаторов в цепи обратной связи (линия задержки). jMl Как видно из схемы на рис. 12.8, входной сигнал, приходя- щий с фильтра Ф2 в виде напряжения U&2 - к12, поступает на W1 вход усилителя АЗ по двум параллельным ветвям через Ж безынерционную ветвь с резистором R11 и через инерционную - Ж с фильтром Ф. Сигнал, проходящий через фильтр Ф, инверти- ф руется и всегда имеет знак, противоположный сигналу, прохо- * । дящему по безынерционной цепи через резистор R1I. На входе > 1 усилителя АЗ оба сигнала суммируются с учетом их знаков: I 13АЗ - к&12 - к<г>12, где кд12 и кф12 - сигналы, проходящие через АЗ и Ф соответственно. Параметры схемы выбираются так, чтобы кд = кф = к. Работа схемы БВ1 (рис. 12.8). При симметричной на- грузке с Ф2 приходит сигнал в виде напряжения небаланса 17ф2 = 1/Нб, при несимметричной Уф? = к12н. В обоих случаях Уф2 изменяется относительно медленно, и сигналы, проходя- щие по каналу R11 и Ф, поступают на вход АЗ практически од- новременно. Их алгебраическая сумма (при частоте 50 Гц) близка к нулю. Поэтому выходной сигнал сумматора АЗ от- сутствует: = 0. Следовательно, при принятой схеме неба- ланс, возникающий в нормальном режиме, не создает напря- жения на выходе схемы БВ1 и поэтому практически не влияет на работу ПО. При качаниях Уф? на выходе фильтра Ф2 возрастает в результате увеличения небаланса, вызванного ростом фазных токов, а также из-за изменения частоты токов качания, на- рушающей балансировку элементов фильтра задержки Ф, по- добранных для работы с частотой 50 Гц. Помимо этого из-за изменения частоты в энергосистеме меняется 2ф - сопротив- ление фильтра Ф, а следовательно, и коэффициент усиления усилителя А2, что порождает различие токов в инвертирующей и неинвертирующей ветвях. В результате этого сумма токов, приходящих на И-вход сумматора АЗ, отличается от нуля. На вы- ходе сумматора появляется напряжение = -(Ir - Влияние этого напряжения на работу ПО устраняется в схе- ме БВ2. 476
При возникновении КЗ (К'1), №2> и в первый момент Х(3)) выходное напряжение фильтра Ф2 иФ2 изменяется скач- ком от предшествующего значения до иФ2к = W2K за счет по- явления составляющей ОП 12К в токе 1К. В этом случае сигнал, проходящий по ветви с инерционным фильтром Ф, поступает на суммирующий усилитель с некоторой задержкой времени At ~ 0,01 с. До появления этого сигнала на входе АЗ присут- ствует сигнал кр12К, пришедший без замедления через рези- стор R11- В результате этого в течение времени задержки сиг- нала At, поступающего от фильтра Ф, на выходе усилителя АЗ появляется сигнал (напряжение) пропорциональный приращению входного напряжения иФ2кр12^), или, иначе говоря, пропорциональное приращению 12К. Такое выделение составляющей ОП при КЗ обеспечивается благодаря принятой схеме передачи сигналов с выхода фильтра Ф2 по двум параллельным ветвям с наличием в одной из них замедляющего и инвертирующего элемента А2. Схема БВ2 выделения Д12 на выпрямленном токе (рис. 12.8) имеет в своем составе диодный двухполупериодный выпрями- тельный мост VS1, используемый в качестве избирателя поло- жительных и отрицательных сигналов; инвертирующий опе- рационный усилитель А4 с коэффициентом передачи ку = 1, являющийся повторителем входного сигнала с изменением его знака, т. е. работающего как инвертор; инерционный эле- мент в виде цепи КС для замедления передачи сигналов поло- жительного знака выпрямителя VS1. В режиме качаний неком- пенсированный небаланс в виде сигнала поступает с выхода предыдущей схемы БВ1 в точку 1 и через инвертор А4 в точ- ку 2 выпрямительного моста VS1. Оба сигнала имеют одинако- вое значение t/j, но различную полярность вследствие нали- чия в цепи 2 инвертора А4. Выпрямленные сигналы (пульси- рующие с двойной частотой) снимаются с точек 3 и 4 VS1. На выходе 3 выпрямителя VS1 выделяются сигналы отрица- тельного знака U2 \ а в точке 4 - положительного В каж- дый момент времени их абсолютные значения равны и пропор- циональны сигналам сумматора поступающим на входы 1 и 2 моста VS11 | = |^+)| = k|Lb|. Сигналы отрицательной полярности через резисторы R18 и R22, а положительной полярности через инерцион- 477
ный элемент RC, резисторы R20 и R21 подаются для сравнения на элементы И компараторов А5 и Ав соответственно. Этц компараторы являются реагирующими элементами ПО P3J и РЭ2. Элемент РЭ1 выполняется в 2-3 раза чувствительнее грубо, го ПО РЭ2. Это достигается подбором сопротивлений резисто- ров R18, R19, R20 и R21, Они выбираются с таким расчетом, что- бы при качаниях положительный сигнал, приходящий на ин- вертирующие входы А5 и Аб был больше отрицательного: 1^(+)1 > Прохождение положительного сигнала при скачкообразном его появлении, замедляется на время, необ- ходимое для заряда конденсатора С до установившегося зна- чения Ц+> напряжения. При медленном изменении входного сигнала положительный сигнал проходит без задержки (ско- рость заряда конденсатора соответствует скорости измене- ния Для переключения компаратора на его вход 1 должен посту- пить сигнал отрицательного знака, превосходящий по абсолют- ному значению опорное напряжение Uon положительного знака. Последнее поступает от делителя напряжения R16, R17, включенного на источник питания Еп между полюсами + 15 В и О В. Работа схемы БВ2. В нормальном режиме энергосисте- мы (при отсутствии КЗ и качаний), когда на выходе сумматора схемы БВ1 = 0 (небаланс скомпенсирован), ивыхвв1 = 0. Под действием положительного напряжения, поступающего через резисторы на вход И компараторов А5 и Аб (см. рис. 12.8), на выходе дежурит отрицательное напряжение UBbumaxt при этом диоды VD2 и VD4 заперты; ПО, а следовательно, и УБК не действуют. В режиме качаний на вход выпрямителя VS1 схемы БВ2 от сумматора схемы БВ1 поступает медленно из- меняющееся переменное напряжение нескомпенсированного небаланса (U2 = инб). Возникающие при этом напряжения на выходе VS1 и приходят на зажимы И А5 и Аб одно- временно, и, так как |Ц+)| > на входе обоих компара- торов появляется положительный сигнал, равный разности 4+) " Ц-), ПРИ котором на их выходе возникает напряжение отрицательного знака. Под воздействием последнего диоды VD2 и VD4 запираются и на выходе логических элементов D1.1 и D1.2 появляется логический сигнал 1, означающий, что ПО не действует.
Таким образом, с помощью рассмотренной схемы БВ2 устра- няется влияние медленно изменяющихся сигналов, возни- каюших при качаниях и асинхронном ходе, на работу ПО: это позволяет обеспечить высокую чувствительность УКБ при удаленных КЗ. При возникновении несимметричных КЗ на выходе схемы БВ1, а следовательно, и на входе схемы БВ2 не- медленно скачком возникает напряжение = к12К. В резуль- тате этого на выходе выпрямителя VS1 мгновенно возрастают напряжения (7^ и и\ до значения /с/2К. С этого момента на- чинается заряд конденсатора С, что задерживает появление положительного сигнала t/(+) ~ к12У Появляющегося практиче- ски без задержки на входе компараторов, а на их выходе воз- никает положительный сигнал, проходящий через диоды VD2-VD5 на вход логических элементов ИЛИ D1.1 и D1.2. Оба элемента переключаются, и на их выходе появляется логиче- ский сигнал, означающий, что ПО блокирующего устройства сработал. Сигнал о срабатывании Появляется кратковремен- но, пока не закончится заряд конденсатора С8У после чего будет Преобладать положительный сигнал, при котором D1.1 и D 1.2 возвращаются в начальные состояния, соответствующие недействию ПО. Таким образом, в результате инвертирования входного сигнала и задержки прохождения выпрямленного сигнала происходит выделение составляющей ОП, появ- ляющейся в момент возникновения КЗ. Аналогично выполнен и работает ПО, реагирующий на составляющие прямой последо- вательности Логическая схема УБК (рис. 12.9) предусматривает выполне- ние операций (см. § 12.4). При недействии ПО (что имеет место при нормальном режиме и при качаниях) схема обеспечивает блокирование быстродействующих ступеней ДЗ. При срабаты- вании ПО УБК логическая схема должна разрешать пуск бло- кируемых ступеней на время At, необходимое для их срабаты- вания с последующим выводом из работы на заданное вре- мя froT> определяемое по (12.7). В течение этого времени по- вторный пуск блокируемой ступени ДЗ невозможен. Для устранения этого недостатка в данной схеме предусмотрен повторный пуск заблокированной быстродействующей ступени действием грубого комплекта ПО, уставка которого отстроена от несимметрии при отключении и включении токов нагрузки. 479
Рис. 12.9. Схема логической части блокировки при качаниях На рис. 12.9 приведена логическая схема рассматриваемого УБК, применяемая в ЛЗ устройства ШДЭ 2801. Логические элементы схемы выполняются с помощью типовых микросхем И-НЕ серии К511. Элементы D3.1-D3.3 работают по схеме И-НЕ при одновременном появлении на их входе логического сиг- нала 1. Элементы D2.2 и D2.4 реализуют схему ИЛИ-HE при подаче на любой из их входов логического сигнала 0. Осталь- ные ЛЭ выполняют логическую операцию НЕ и служат для инвертирования и усиления входного сигнала. Элементы вре- мени DT1-DT3 выполняются по схеме с использованием кон- тура RC. Они приходят в действие при появлении на входе ло- гического сигнала 1 и возвращаются при 0. Сигналы 17рэ1 от чувствительного реагирующего элемента ПО УБК поступают на D1.2, a ЦрЭ2 от грубого реагирующего эле- мента на D1.4 (рис. 12.8 и 12.9). Сигналы от РЭ1 и РЭ2 переда- ются по четырем каналам. Канал I служит для блокирования и пуска быстродействующих ступеней при действии чувстви- тельного ПО (РЭ1). По каналу II производится блокирование и пуск медленнодействующих ступеней ЛЗ по команде чув- ствительного и грубого ПО (РЭ2). Канал IV осуществляет воз- врат схемы в состояние готовности к действию по истечении заданного времени вывода fr0T = 3-12 с. По каналу III пускают- ся повторно быстродействующие ступени РЗ при срабатывании грубого ПО. 480
Логические сигналы, присутствующие на входе и выходе элементов схемы в исходном режиме (при недействии ПО), обозначены цифрами 0 и 1, логические сигналы, появляющие- ся при срабатывании ПО изображены подчеркнутыми снизу цифрами 0 и 1. В исходном режиме схемы на входах D1.2 и D1.3 присутству- ют логические 1, а на их выходах логические 0. При этом на выходных элементах логической схемы D3.1, D3.2 и D3.3 дежу- рят логические сигналы, блокирующие действие всех ступе- ней РЗ. Ниже рассматривается работа схемы. Ввод быстродействующих ступеней защиты на время At = = 0,2 - 0,6 с с последующим выводом их. При срабатывании чувствительного ПО РЭ1 на входе элемента D1.2 появляется кратковременно логический сигнал 0, а на выходе 1. Этот еди- ничный сигнал (см. рис. 12.9) поступает на три элемента кана- ла I: D3.1, DT.l, D1.1. Логический элемент D3.1 (выходной эле- мент канала I), выполняющий операцию И-НЕ, получив на свой второй вход сигнал 1,преключается и на его выходе появ- ляется сигнал 0, осуществляющий пуск быстродействующих ступеней (I с t = 0 и Ис Г< 1,2с) по цепи 1. Одновременно приходит в действие элемент времени DT.1. Он срабатывает с установленной выдержкой времени At (0,2; 0,4; 0,6 с), на его выходе возникает сигнал 1, который через инвертирующий элемент D2.1, поступает на первый вход D3.1 в виде логического 0. При этом D3.1 возвращается в начальное состояние, на его выходе появляется логический сигнал 1, прекращающий пуск быстродействующих ступеней и блоки- рующий их действие. На выходе D1.1, после получения единичного сигнала от D1.2, возникает нулевой сигнал, поступающий на входы D1.2 и D2.4. Как видно из рис. 12.9 под воздействием этого сигнала элементы D1.2 и D1.1 самоудерживаются в сработанном состоя- нии и продолжают пуск схемы после исчезновения кратковре- менного сигнала от РЭ11. Этим обеспечивается, во-первых, продление пуска быстродействующих ступеней на время At, необходимое для их срабатывания и, во-вторых, по истечении времени At удерживание в сработанном состоянии элемента —------. Для исключения ложного срабатывания от помех сигнал на вход D1.1 по- дается через цепь из R12 и С4, которая замедляет его прохождение на время, превышающее длительность импульсных помех.
времени DT.1 с сохранением на его выходе сигнала 1. При этом на втором входе D3.1 появляется нулевой сигнал, запрещаю, щий ему переключаться и производить повторный пуск быстро- действующих ступеней ДЗ. Возврат схемы к повторному действию происходит только после прекращения самоудерживания элементов D1.2 и D1.1 по команде IV канала. Под действием нулевого сигнала D1,1 входной элемент канала II D2.2 переключается, в результате этого на выходе D3.2 появляется сигнал 0, производящий по цепи 2 пуск медленнодействующих ступеней {II и 1П) ДЗ. Кро- ме того под действием сигнала D1.1 переключается элемент D2.4 (ИЛИ-НЕ) канала IV и подает логический сигнал 1 на эле- мент времени DT.3, осуществляя его пуск. Через заданное вре- мя tr0T (3, 6, 9, 12 с) DT.3 срабатывает и на выходе D3.4 возника- ет логический сигнал 0. Этот нулевой сигнал через диоды VD10 (VD11) поступает на вход DT.1 ц на второй вход D3.1 через входы DT.2 и D3.3. Под их действием эти и остальные элементы логической схемы возвращаются в начальное состояние (го- товности к повторному действию), что легко проследить по изменению сигналов на элементах схемы. На выходных элемен- тах каналов I, II и III (D3.1, D3.2, D3.3) снова присутствуют еди- ничные сигналы, блокирующие соответствующие ступени РЗ. Логические элементы D3.1, D3.2, D3.3, кроме пуска и блоки- рования быстродействующих и медленнодействующих сту- пеней ДЗ, приводят в действие сигнализацию о работе ПО УБК, осуществляемую светодиодами VD7 и VD8 и герконовые реле KL3 и KL4. Реле KL используются для передачи сигнала на отключение линии с противоположного конца по каналам устройства АНКА. Работой этих элементов управляют транзисторы VT5 и VT6. В исходном состоянии логической схемы на базы транзисторов подается сигнал 1 - они заперты. При появлении нулевого сигнала транзисторы открываются и приводят в действие соот- ветствующее реле KL. Ввод в действие ступеней защиты, выведенных из работы после срабатывания чувствительного ПО на заданное время от 3 до 12 с. Для этой цели используется грубый реагирующий орган РЭ2. При срабатывании грубого органа на входе элемента D1.4 появляется логический сигнал 0, а на его выходе - логи- ческий сигнал 1. При этом на выходе элемента D3.3 появляет- ся логический сигнал 0 и осуществляется повторный пуск 482
быстродействующих ступеней защиты. С выхода элемента 01.4 логический сигнал 1 через замедляющую цепь R13, С5 проходит на вход элемента D1.3, и на его выходе появляется логический сигнал 0, поступающий на вход элементов D1.4 и D2.4, чем обеспечивается подхват кратковременного выход- ного сигнала грубого органа и дополнительный запуск элемен- та времени DT3. Через время, равное выдержке времени эле- мента DT2, на его выходе появляется логический сигнал 1, а на выходе элемента D2.3 - логический сигнал 0. При этом на выходе элемента D3.3 появляется логический сигнал 1 и обес- печивается вывод быстродействующих ступеней ДЗ на время выдержки элемента времени DT3, по истечении которого схе- ма возвращается в исходное состояние. Ввод медленнодействующих ступеней при срабатывании ПО УБК и возврат схемы в исходное состояние. При срабатыва- нии чувствительного или грубого реагирующего элемента ПО логический сигнал 0 появляется также на входах логического элемента D2.2, на его выходе - сигнал 1. При этом на выходе элемента D3.2 появляется сигнал 0 и осуществляется пуск медленнодействующих ступеней защиты на время выдержки элемента DT3 (3, 6, 9, 12 с). По истечении выдержки времени элемента DT3 схема возвращается в исходное состояние, свето- диод VD8 гаснет, обеспечивается блокирование медленно- действующих ступеней защиты. Оценка УБК, реагирующего на приращение векторов то- ка* Устройство, реагирующее на приращение 12 и 1х, имеет следующие преимущества по сравнению с устройствами, реа- гирующими на абсолютное значение составляющих обратной последовательности 12 и U2 типа КРБ: 1) оно надежно работает при №3) при отсутствии 12 или недостаточных его значениях; 2) предусмотрено восстановление работы быстродействующей ступени в период, когда ее действие блокируется на время от 3 До 12 с; 3) оно имеет высокую чувствительность, так как не тре- буется отстройка от тока небаланса и несимметрии токов на- грузки. Вопросы для самопроверки 1. Каков характер изменения тока, напряжения и сопротив- ления при качаниях? 2. Какие защиты линий и почему могут сработать в режиме качаний9 483
3. Виды блокировок при качаниях. 4. Какие ступени дистанционной защиты выполняются с блокировкой при качаниях? Глава тринадцатая ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЗАЩИТЫ 13.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЗАЩИТ Высокочастотные (ВЧ) РЗ являются быстродействующими и предназначаются для ЛЭП ПО, 220 кВ и линий СВН. Они при- меняются для быстрого отключения линии при КЗ в любой ее точке с целью обеспечения устойчивости параллельной работы электрических станций и энергосистем в целом, а также в связи с ростом требований со стороны потребителей для со- хранения устойчивости технологического процесса. Высокочастотные РЗ (ВЧЗ) состоят из двух комплектов, рас- положенных по концам защищаемой ЛЭП. Особенность ВЧЗ заключается в том, что для их селективного действия необхо- дима связь между комплектами защиты, осуществляемая по- средством токов ВЧ, которые передаются по проводам защи- щаемой ЛЭП. По принципу своего действия ВЧЗ не реагируют на КЗ вне защищаемой ЛЭП и поэтому, так же как дифферен- циальные РЗ, не имеют выдержки времени. Применяются три вида ВЧЗ: направленные РЗ с ВЧ-блокировкой, основанные на сравнении направления знаков мощности по концам защи- щаемой ЛЭП; дифференциально-фазные ВЧЗ, основан- ные на сравнении фаз токов КЗ по концам ЛЭП; комби- нированные направленные и дифференциально-фазные ВЧЗ, сочетающие оба упомянутые выше принципа. В связи с указанными особенностями перечисленные РЗ состоят из двух частей - релейной и высокочастотной. 13.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С ВЧ-БЛОКИРОВКОЙ Направленная ВЧЗ реагирует на направление (знак) мощ- ности КЗ по концам защищаемой ЛЭП. Как видно из рис. 13.1, о, при КЗ на защищаемой ЛЭП (в точке КГ) мощности КЗ на обоих 484
KW2 кмз KW4 ^4 Q° °ie V &) Рис. 13.1. Направление мощности по концам ЛЭП при КЗ: а ~ на ЛЭП (К1) и за ее пределами (К2); б - сравнение направления мощности по концам ЛЭП с помощью реле направления мощности (OHM) KW концах поврежденного участка АВ имеют одинаковое направ- ление от шин в ЛЭП. В случае же внешнего КЗ (точка К2) направления мощности по концам защищаемой ЛЭП различны. На ближайшем к ме- сту повреждения конце (В) ЛЭП мощность КЗ Sp отрицательна (направлена к шинам), а на удаленном (конец А) - положитель- на (направлена от шин в ЛЭП). Из этого следует, что, сравнивая направления мощности по концам защищаемой ЛЭП, можно определить, где возникло повреждение: на данной ЛЭП или за ее пределами. Такое сравнение осуществляется при помощи органов направ- ления мощности KW (рис. 13.1,6), которые устанавливаются на обоих концах ЛЭП и включаются таким образом, чтобы при КЗ на защищаемой ЛЭП они разрешали действие ВЧЗ на от- ключение. Тогда при КЗ в точкеК (рис. 13.1,6) на обоих концах линии подействуют KW3 и KW4, установленные на поврежденной ЛЭПВС. На неповрежденной же ЛЭП АВ OHM KW1 сработает, разрешая действие на отключение, однако на приемном конце В ЛЭП АВ под влиянием мощности КЗ, направленной к шинам, OHM KW2 разомкнет контакты, чем запретит действие на отключение РЗ 2, и одновременно блокирует действие РЗ 1 посылкой ВЧ-сигнала по проводам этой же ЛЭП. Блокирующий сигнал посылается специальными генераторами ВЧ (ГВЧ) (рис. 13.2), управляемыми ОНМ, реагирующими на отрицатель- ный знак мощности, и принимается специальными приемника- ми токов ВЧ ПВЧ, настроенными на ту же частоту, что и гене- раторы. Приняв ВЧ-сигнал, приемники ВЧ подают ток в обмот- ку блокирующего реле КБ, которое размыкает цепь отключе- ния РЗ. 485
Рис. 13.2. Принцип действия направленной ВЧЗ с ВЧ-блокировкой; KW - реле направления мощности; КБ - блокирующее реле; ГВЧ - генератор токов высокой частоты; ПВЧ — приемник токов высокой частоты При КЗ на защищаемой ЛЭП блокирующий ВЧ-сигнал отсут- ствует, так как ОНМ, срабатывая, не позволяет действовать ГВЧ на обоих концах ЛЭП. Контакты блокирующих реле оста- ются замкнутыми, разрешая РЗ действовать на отключение. Таким образом, блокирующий ВЧ-сигнал появляется в ЛЭП только при внешних КЗ, предотвращая неселективное дей- ствие РЗ. Зона действия РЗ ограничивается установленными по концам ЛЭП ТТ, питающими ОНМ. По рассмотренному прин- ципу выполняются ВЧЗ, сравнивающие направление полных мощностей фаз или направления их составляющих НП или ОП. В двух последних случаях ОНМ включаются через фильтры токов и напряжений НП или ОП. 133. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЗАЩИТЫ Принцип действия. Дифференциально-фазная ВЧЗ (ДФЗ) основана на сравнении фаз тока по концам защищаемой ЛЭП. Считая положительными токи, направленные от шин в ЛЭП, находим, что при внешнем КЗ в К1 (рис. 13.3, а) токи 1т и 1п по концам защищаемой ЛЭП имеют различные знаки и, следова- тельно, их можно считать сдвинутыми по фазе на 180°. В слу- чае же КЗ на защищаемой ЛЭП (рис. 13.3,6) токи на ее концах имеют одинаковые знаки и их можно принять совпадающими по фазе, если пренебречь сдвигом векторов ЭДС Ет и Еп по концам электропередачи и различием углов полных сопротив- лений Zm и Zn [28]. 486
Таким образом, сравнивая фазы токов по концам ЛЭП, мож- но установить местоположение КЗ. В обычных схемах диффе- ренциальных РЗ сравнение фаз токов осуществляется путем непосредственного сравнения токов, проходящих в начале и конце ЛЭП. В ВЧЗ (ДФЗ) сравнение фаз осуществляется кос- венным путем посредством ВЧ-сигналов. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу ДФЗ, и диаграмма, поясняющая прин- цип ее действия, приведены на рис. 13.4 и 13.5. Защита состоит из приемопередатчика (см. рис. 13.4), вклю- чающего в себя генератор ГВЧ, приемник ПВЧ, реле отключе- ния РО, питающегося током приемника, и двух пусковых ре- ле ПО1 и ПО2, одно из которых пускает ГВЧ, а второе контро- лирует цепь отключения ДФЗ. Особенность ДФЗ заключается в том, что ВЧ-генератор управляется (манипулируется) непосредственно токами промышленной частоты при помощи специального трансформатора Т. Генератор включен так, что при положи- тельной полуволне промышленного тока он работает, посы- лая в ЛЭП сигнал ВЧ, а при отрицательной запирается, и сиг- 487
Внешнее короткое замыкание Высокочас - тотные импульсы 8 линии./на Входе приемников) Ток 8 выходной цепи приемки- ка(анодный ” ток лампы В ) Ток 8 реле РО Рис. 13.5. Диаграммы токов в дифференциально-фазной ВЧЗ нал ВЧ прекращается. В то же время приемник выполнен та* ким образом, что при наличии сигналов ВЧ5 поступающих в его входной контур, выходной ток, питающий реле РО, равен нулю, а при отсутствии ВЧ-сигнала появляется выходной ток, поступающий в РО. Таким образом, генератор ВЧ работает только в течение положительных полупериодов тока промыш- ленной частоты, а приемник - при отсутствии ВЧ-сигналов. При внешнем КЗ (рис. 13.5, а) с учетом того, что фазы первич- ных токов по концам ЛЭП противоположны, генератор, на кон- це т работает в течение первого полупериода промышленного тока, а на конце п-в течение следующего полупериода. Ток ВЧ протекает по ЛЭП непрерывно и питает приемники на обеих сторонах ЛЭП. В результате этого выходной ток в цепи прием- ника и реле РО отсутствует, и реле (ДФЗ) не работает. 488
При КЗ в зоне (рис. 13.5, б) передатчики на обоих концах ЛЭП работают одновременно, поскольку фазы токов по концам ЛЭП совпадают. Высокочастотные сигналы, поступающие при этом в приемники, будут иметь прерывистый характер с интервалами времени, равными полупериоду промышленно- го тока. В этом случае приемник работает в промежутки вре- мени, когда ток ВЧ отсутствует, и заперт (не работает) во вре- мя его прохождения. В выходной цепи приемника появляет- ся прерывистый ток, который сглаживается специальным устройством и подается в реле РО. Последнее срабатывает и от- ключает ЛЭП. Таким образом, сдвиг фаз между токами, про- ходящими по обоим концам ЛЭП, определяется по характеру ВЧ-сигналов (сплошные или прерывистые), на которые с по- мощью приемника реагирует реле РО. По принципу своего действия ДФЗ не реагирует на нагрузку и качания, так как в этих режимах токи на обоих концах ЛЭП имеют разные знаки. 13.4. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ И РАБОТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЧАСТИ ЗАЩИТЫ Канал токов высокой частоты. Высокочастотный канал пред- ставляет собой электрическую цепь, по которой проходят сиг- налы ВЧ. На рис. 13.6 показан ВЧ-канал по схеме фаза-земля, при котором ток ВЧ проходит по одному из проводов ЛЭП и возвращается по земле. На каждом конце ЛЭП устанавливают- ся высокочастотные аппараты (ВЧА) 1, состоящие из передат- Рис. 13.6. Принципиальная схема высокочастотного канала 489
вя Элемент канала ?6ы* Рис. 13.7. К определению затухания в элементах высокочастотного канала, см. (13.1) чика ГВЧ, генерирующего сигналы ВЧ, и принимающего их приемника ПВЧ. Выходная цепь ВЧА подключается одним зажимом к земле, а вторым к проводу ЛЭП через ВЧ кабель 2 фильтр присоединения 3 и высоковольтный конденсатор свя- зи 4. По концам ЛЭП, используемой для передачи токов ВЧ устанавливаются заградители 5, запирающие выход токам ВЧ за пределы ЛЭП. Часть энергии, генерируемой передатчиком, теряется в эле- ментах канала, т. е. в кабеле, фильтрах присоединения, кон- денсаторах связи, проводах защищаемой ЛЭП, и уходит через заградители. Поэтому ВЧ-передатчик должен с некоторым за- пасом перекрывать потери в канале, обеспечивая достаточный уровень мощности ВЧ-сигнала, поступающего на приемник противоположного конца. Потери энергии, происходящие при передаче ВЧ-сигнала (рис. 13.7), называются затуханием и условно характеризуются величиной а, измеряемой в деци- белах (дБ): fBX а = 101g (13.1) *вых где Рех - мощность на входе рассматриваемого канала (в начале элемента); Рвых - мощность, получаемая на его выходе. Ранее в качестве единицы затухания использовался не- пер (Нп) (1 дБ = 0,115 Нп). Элементы высокочастотного канала. Конденсатор связи 4 (рис. 13.6) предназначен для присоединения поста к ЛЭП ВН. Сопротивление конденсатора Хс - 1/2п/С зависит от частоты проходящего через него тока. Для токов промышленной ча- стоты 50 Гц оно велико (порядка 1 200 000 Ом), поэтому ток утечки весьма мал. При высоких частотах f > 50 кГц сопротив- ление Хс резко уменьшается. Отечественная промышлен- ность выпускает бумажно-масляные конденсаторы типа СМР-55/Уз1 = 0,044. Они изготавливаются в виде элементов, рассчитанных на рабочее напряжение фазы 32 кВ и имеющих емкость элемента 4400 пФ. На ЛЭП ПО кВ устанавливается 490
два таких элемента, соединяемых последовательно, на ЛЭП 220 кВ - четыре. Для ЛЭП 500 кВ выпускаются конденсаторы типа СМР-133//3 = 0,0186; на таких ЛЭП устанавливается че- тыре элемента. Высокочастотный кабель 2 (рис. 13.6). В качестве ВЧ-кабеля используется одножильный кабель типа РК (например, кабель РК-75-7-16 имеет волновое сопротивление 75 ± 3 Ом, затухание 0,09 нП/м при 100 кГц). Фильтр присоединения 3 (рис. 13.6) согласовывает (уравни- вает) входные сопротивления кабеля с входным сопротивле- нием ЛЭП, соединяет нижнюю обкладку кабеля связи с зем- лей, образуя таким образом замкнутый контур для токов ВЧ, и компенсирует емкость конденсатора связи, что позволяет уменьшить до минимума сопротивление конденсатора для токов ВЧ. Фильтр присоединения представляет собой воздушный трансформатор с отпайками, позволяющими менять самоин- дукцию его обмоток и взаимную индукцию между ними. В це- пи обмотки L1 выключен конденсатор связи С, а в цепи обмот- ки L2 - конденсатор С2 фильтра. Фильтр присоединения сво- бодно пропускает токи только в определенном рабочем диапа- зоне частот. При этих частотах затухание фильтра относитель- но мало, а за пределами рабочих частот резко возрастает. Промышленностью выпускается несколько типов фильтров присоединений (ОФП-4, ФП, ФПУ и др.) на частоты от 32 до 800 кГц для ЛЭП всех классов напряжений. Параллельно об- мотке фильтра включается разрядник Р. При пробое конден- сатора связи и перекрытии его изоляции разрядник срабатывает и создает надежный путь для отвода в землю токов КЗ. Заградитель 5 (рис. 13.6) преграждает выход токов ВЧ за пре- делы ЛЭП. Сопротивление заградителя 2загр зависит от часто- ты. Для токов ВЧ, передаваемых по данному каналу, Z3arp ве- лико, а для токов промышленной частоты оно очень мало. Заградитель представляет собой резонансный контур (рис. 13.8, а), настроенный на определенную частоту - частоту ВЧ-канала; он состоит из силовой индуктивной катушки LK И элемента настройки, выполненного в виде регулируемой емкости С. Емкость С подбирается так, чтобы контур заградителя был настроен в резонанс (тока) на заданную частоту /р, т. е. чтобы 491
Рис. 13.8. Высокочастотный за- градитель: а — резонансный (одночастот- ный); б - широкополосный Рис. 13.9. Резонансные характеристики заградителей: 1 — резонансного; 2 — широкополосного gjLk = 1/иС. Такой заградитель называется резонансным или одночастотным. При резонансной частоте сопротивление кон- тура имеет максимальное значение (рис. 13.9). Резонансное сопротивление заградителя должно быть не меньше 1000 Ом. Для защиты конденсатора С от грозовых и коммутационных перенапряжений устанавливается разряд- ник FV. Силовая катушка заградителя рассчитывается на про- хождение рабочих токов нагрузки и тока КЗ. Выпускаемые оте- чественной промышленностью заградители типа ВЗ рассчита- ны на рабочий ток до 2000 А с пределами настройки от 40 до 800 кГц. Кроме резонансных применяются широкополосные заградители (рис. 13.8 и 13.9), запирающие токи в широком диапазоне частот f1 - f2. Такие заградители нужны для кана- лов, по которым одновременно передается несколько сигна- лов с различными частотами. Высокочастотный приемопередатчик (ППВЧ). Как уже от- мечалось, ППВЧ представляет собой высокочастотный аппа- рат, состоящий из двух частей - передатчика сигналов ВЧ и приемника, принимающего эти сигналы. Приемопередатчи- ки устанавливаются вместе с соответствующими комплектами РЗ на каждом конце защищаемой линии. Основной задачей ППВЧ является исключение ложного действия комплекта РЗ, расположенного на дальнем конце А защищаемой линии при внешнем КЗ (см. рис. 13.1, а); в этом режиме SK и 1К имеют всегда положительные знаки. Для этого передатчик, расположенный на ближнем конце В защищав- ф мой линии, по команде РЗ В должен посылать блокирующие Ц импульсы, запрещающие работать РЗ А. Ж 492
Рис. 13.10. Структурная схема ВЧ-поста Рабочие частоты ППВЧ каждой линии выбираются в диапа- зоне 30-500 кГц различными, для исключения взаимных влия- ний ВЧ-каналов соседних линий (допускается сближение ча- стот до 1,5 кГц). В энергосистемах России используется несколько видов ППВЧ, различающихся по конструктивному исполнению и техническим характеристикам. Поскольку все ППВЧ имеют одинаковое назначение, они в основном состоят из однотип- ных функциональных узлов (элементов). С учетом этого на рис. 13.10 приведена (с определенными упрощениями) обобщенная функциональная схе- ма современных приемопередатчиков. Передатчик ВЧ в соответствии с возлагаемыми на него функциями состоит из задающего генератора ВЧ (ГВЧ), вспо- могательного управляющего усилителя (ВУУ) и основного уси- лителя мощности ВЧ-сигнала (МУС). Генератор ВЧ вырабатывает сигнал ВЧ заданного уровня (в виде тока или напряжения ВЧ). Для обеспечения высокой точности уровня сигнала используется кварцевый резонатор. Однако при решении проблемы стабильности ВЧ-сигнала при- менение кварца (из-за его инертности) замедляет процесс на- растания частоты до 0,1-0,2 с. Поскольку такое замедление действия защиты при каждом включении ГВЧ в момент КЗ не- допустимо, то во всех конструкциях ГВЧ работает непрерывно, но выход его сигнала в ВЧ-канал заперт на входном транзисто- ре следующего узла. Этим узлом, как видно из схемы, являет- ся ВУУ. Электронная схема ВУУ построена так, чтобы с ее 493
помощью схема РЗ могла реализовать: пуск передатчика при КЗ (т. е. передачу ВЧ-сигнала на противоположный конец по элементам ВЧ-канала); останов передатчика после отключе- ния КЗ; манипуляцию ВЧ-сигнала напряжением промышлен- ной частоты (являющейся основным условием работы диффаз- ной ВЧ-защиты); запрет действия автоматического контроля исправности канала и приемопередатчика, а также некоторые другие операции. С учетом этих функций узел ВУУ называют управляющим усилителем. Мощность задающего генератора очень мала и недостаточ- на для преодоления затуханий в проводах ВЛ и в элементах ВЧ-канала. Этот недостаток устраняется применением усили- теля мощности ВЧ-сигнала МУС, выполняемого обычно из нескольких каскадов. Выходной сигнал МУС поступает на линейный фильтр ЛФ. Этот сигнал может иметь искажения, вызванные нелиней- ностью полупроводниковых элементов вспомогательного и основного усилителей. Задачей ЛФ является отфильтровать (запереть прохождение) гармоники, обеспечив полную сину- соидальность формы сигнала, уходящего с выхода последнего узла приемопередатчика. Наряду с этим ЛФ должен обеспе- чить согласование выходного сопротивления передатчика со своей нагрузкой. Такой нагрузкой, как видно из схем рис. 13.6 и 13.10, служит высокочастотный кабель связи. Выходная мощность, посланная в высокочастотный канал передатчика, определяется на выходе ЛФ как произведение выходного напряжения на ток (в зависимости от типа ВЧА она равна 25-40 Вт). Высокочастотный приемник. ВЧ-сигнал, пришед- ший с удаленного конца защищаемой линии, поступает на вход ЛФ рассматриваемого ППВЧ (ЛФ общий для передатчи- ка и приемника). Приемник должен обладать высокой избира- тельностью: должен иметь наименьшее сопротивление току заданной частоты (как правило, рабочая частота задается одинаковой для передатчика и приемника). Второй важной характеристикой приемника является его чувствительность. Она должна быть отстроена от ВЧ-помех и достаточной для минимальных уровней входных сигналов. Приходящий с проводов ВЛ ВЧ-сигнал, пройдя ЛФ, посту- пает на входные фильтры (в основном узкополосные) прием- ника ВФ, обеспечивающие необходимую избирательность 494
преемника. С выхода ВФ сигнал рабочей частоты поступает ла вход усилителя УВЧ, усиливающего его (в виде тока или напряжения) до требуемого уровня, после чего попадает на выходной узел приемника Вых. Здесь сигнал преобразуется в ток или напряжение постоянного знака и поступает в соот- ветствующий орган (элемент) комплекта РЗ, предназначенный для его блокирования (когда при внешнем КЗ проходящие через место его установки мощность SK и ток 1К имеют положи- тельные знаки). Вопросы устройства высокочастотных аппаратов здесь не рассматриваются, так как до настоящего времени они являют- ся темой изучения другой учебной дисциплины. Современные ППВЧ выполняются с автоматическим контролем. Впервые такие устройства были разработаны в процессе эксплуатации для ВЧА УПЭ-70 и применены в Мосэнерго. Опыт их эксплуата- ции был полезен, и теперь система автоматического контро- ля считается обязательной к применению. В качестве приме- ра отметим, что в настоящее время разработаны и применяют- ся в отечественных ВЧЗ следующие приемопередатчики: АВЗК-80 с АК-80 - универсальный приемопередатчик для линий 110, 220 кВ и СВН, выпускаемый с 1980 г. (завод ’’Неп- тун”, г. Одесса); ПВЗ-90М - универсальный с автоконтролем (г. Могилев); ПВЗЛ - предназначенный для замены морально устаревшей радиоламповой аппаратуры на ВЛ ПО, 220 кВ длиной до 100 км с автоконтролем на интегральных схемах (разработаны и изго- товляются в ОЗАП Мосэнерго). На линиях более высокого напряжения (330-1150 кВ) к прие- мопередатчикам предъявляются дополнительные требова- ния, обусловленные более высоким уровнем помех и затуха- нием мощности сигнала в ВЧ-канале. 133. СХЕМЫ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ БЛОКИРОВКОЙ Основные функциональные элементы ВЧЗ. Упрощенная схе- ма, поясняющая принцип выполнения и структурные элементы ВЧЗ, показана на рис. 13.11. Релейная часть РЗ состоит из трех основных элементов: пускового органа (ПО), органа направ- ления мощности (OHM) KW и блокирующего реле КБ. 495
Рис. 13.11. Упрощенная схема направленной ВЧЗ (р - рабочая и т - тормозная обмотки блокирующего реле КБ1) Пусковой орган выполняется при помощи двух комплектов реле, один из которых ПО2 пускает передатчик ВЧ-поста, а второй ПО1 управляет цепью отключения РЗ. Для пуска РЗ при междуфазных КЗ применяются токовые реле, включенные на полный ток фазы, а в случае недостаточной их чувствитель- ности - PC. Пуск РЗ в комплектах защиты от замыканий на землю обычно осуществляется посредством токового реле НП. В некоторых схемах используется реле тока и напряжения ОП. Орган направления мощности осуществляется посредством обычных РНМ. В комплектах защиты от замыканий на землю РНМ включается на ток и напряжение НП. В РЗ от несиммет- ричных КЗ РНМ питается током и напряжением ОП и НП. Реле мощности приходит в действие при мощности КЗ, на- правленной от шин в ЛЭП: срабатывая, оно останавливает пере- датчик (при помощи реле КБ1), подает ток в рабочую обмотку блокирующего реле КБ2 и замыкает цепь отключения РЗ. При направлении мощности к шинам KW не действует и разре- шает пуск передатчика. Блокирующее реле КБ2 управляется током ВЧ. При наличии ВЧ-сигнала блокирующее реле КБ2 размыкает цепь отключения, не позволяя РЗ действовать на отключение. В качестве КБ2 обычно используется поляризо- ванное реле с двумя обмотками - рабочей и тормозной. Рабо- чая обмотка получает питание при срабатывании KW и КБ1 и действует на замыкание контактов поляризованного реле. Тормозная обмотка питается выпрямленным током ВЧ, полу- чаемым от ВЧ-приемника, и действует на размыкание контак- тов реле КБ2. При одновременном питании рабочей и тормоз- ной обмоток реле КБ2 не действует. 496 4
Работа защиты в различных режимах. Внешнее КЗ. При внеш- нем КЗ на обоих концах ЛЭП срабатывают ПО! и ПО2. Они пускают передатчики и подают плюс к контактам KW. На кон- це ЛЭП, где мощность КЗ направлена от ЛЭП к шинам, РНМ не действует, разрешая реле запустить передатчик, который посылает блокирующий ток ВЧ. Этот ток принимается прием- ником этой же РЗ, поступает в тормозную обмотку блокирующе- го реле КБ2 и не позволяет ему действовать. На питающем конце ЛЭП, где мощность КЗ направлена от шин в ЛЭП, реле направления мощности KW срабатывает, останавливает пере- датчик своего комплекта, подает плюс к контактам блокирую- щего реле КБ2 и ток в его рабочую обмотку, подготавливая, таким образом, РЗ к действию. Однако цепь отключения РЗ остается разомкнутой контактами блокирующего реле КБ2, в тормозную обмотку которого поступает блокирующий сигнал с противоположного конца ЛЭП. Благодаря этому предотвра- щается срабатывание РЗ на питающем конце ЛЭП и дополни- тельно осуществляется блокировка РЗ на приемном конце ЛЭП, цепь отключения которой уже разомкнута контакта- ми РНМ. Таким образом, при внешнем КЗ блокирующий ВЧ- импульс посылается только с того конца ЛЭП, где РНМ не действует, что и обеспечивает селективность. КЗ на защищаемой ЛЭП. При КЗ на защищаемой ЛЭП и двух- стороннем питании места повреждения мощность КЗ на обоих концах ЛЭП направлена от шин в ЛЭП, В обоих комплектах РЗ срабатывают пусковые реле ПО1 и ПО2 и KW. Реле мощности размыкают при помощи промежуточных реле КБ1 цепь пуска ВЧ-поста. Вследствие бездействия обоих передатчиков сигнал ВЧ отсутствует, и реле КБ2 срабатывает, разрешая РЗ произве- сти отключение ЛЭП. При качаниях ПО тока и сопротивления могут приходить в действие. Поэтому поведение РЗ в этих условиях будет зави- сеть от поведения РНМ, которое определяется положением точки ЭНК. Если последний окажется в пределах защищае- мой ЛЭП, то знаки мощности по ее концам будут положитель- ными (т. е. направленными от шин в ЛЭП). В этом случае РЗ подействует неправильно и отключит ЛЭП. На всех остальных Участках сети, где ЭПК расположен вне защищаемой ЛЭП, направления мощности по их концам будут различными и РЗ будет блокироваться, как и при внешних КЗ. Лля предотвра- щения неправильных отключений применяется специальная блокировка, запрещающая работать ВЧЗ при качаниях.
Пусковые реле, реагирующие на составляющие НП и ОП, при качаниях, возникающих в симметричном режиме, не дей- ствуют, поэтому блокировать такие ВЧЗ при качаниях не тре- буется. Аналогичные схемы могут выполняться на ИМС. Особенности пускового органа защиты. Из принципа дей- ствия ВЧЗ и работы схемы следует, что непременным условием правильной работы РЗ при внешних КЗ является пуск ВЧ-пере- датчика на ближнем к месту КЗ (т. е. приемном) конце ЛЭП. При несогласованной чувствительности ПО на противополож- ных концах ЛЭП это условие может быть нарушено. Так, напри- мер, если при внешнем КЗ в точке К1 реле ПО2 (рис. 13.11), пускающее ВЧ-передатчик на приемном конце ЛЭП, не срабо- тает из-за недостаточной чувствительности, а реле ПО1, пус- кающее РЗ на питающей стороне ЛЭП, окажется более чувстви- тельным и подействует, то это РЗ неправильно отключит ЛЭП из-за отсутствия блокирующего сигнала с приемного конца. Для исключения этого ПО выполняется из двух комп- лектов реле: одного - ПО2 для пуска ВЧ-передатчика и второго - ПО1 в цепи отключения. При этом реле ПО2 должно быть в 1,5-2 раза чувствительнее реле ПО1 на своем и противо- положном концах ЛЭП. При выполнении этого условия имеет- ся полная гарантия, что более чувствительные реле ПО2 обес- печат пуск ВЧ-передатчика, если пришли в действие более грубые пусковые реле ПО1 в цепи отключения. Такой принцип пуска предусмотрен на рис. 13.11. Имеется и второй способ, при котором ПО состоит из одного комплекта, управляющего как ВЧ, так и релейной частя- ми РЗ. В этом случае ПО на каждом конце ЛЭП пускают ВЧ- пост как своего комплекта, так и на противоположной сторо- не ЛЭП. Такой принцип пуска получил название дистан- ционного. При дистанционном пуске несогласованность в чувствительности ПО на любом конце ЛЭП не представляет опасности, так как при работе одного пускового реле запуска- ются оба ВЧ-поста, и блокирующий импульс с приемного кон- ца ЛЭП будет, таким образом, обеспечен, даже если установ- ленное там пусковое реле не подействует. Уставки пусковых реле. Оба пусковых комплекта реле ПО1 и ПО2 должны быть отстроены от максимальной нагрузки (если они на нее реагируют) и надежно действовать при КЗ на противоположном конце защищаемой ЛЭП. Токовые реле от- страиваются от нагрузки по формуле 498
/с,з = ^отс^н тах^^В’ (13.2) а рС при Фр = Фн “ по формуле Zc.3 = ^раб тт Л^отс^в)- (13.3) Исходя из этого уставка пусковых реле ПО2, пускающих 04-передатчик, выбирается по выражению (13.2) или (13.3), а уставки ПО1, управляющих цепью отключения, принимаются в 1 5-2 раза грубее, чем уставки ПО2. Чувствительность реле, управляющих отключением, прове- ряется по КЗ на противоположном конце ЛЭП, коэффициент чувствительности должен быть не менее 1,5-2. По принципу своего действия ВЧЗ не реагирует на перегруз- ки, поскольку в этом режиме мощности по концам ЛЭП имеют разные направления, так же как и при внешнем КЗ. Поэтому для повышения чувствительности можно не считаться с мало- вероятными или кратковременными перегрузками (например, токами самозапуска и т. п.) и отстраивать реле ПО2 от нор- мальной нагрузки. При этом пусковые реле ПО1, управляющие цепью отключения, должны быть отстроены от максимальной нагрузки. Реле, питающиеся от фильтров тока или напряжения НП или ОП, на нагрузку не реагируют, но их необходимо от- страивать от небаланса при нагрузочном режиме. Контроль исправности ВЧ-канала и приемопередатчика. На- рушение ВЧ-канала или неисправности в постах приводят к неправильной работе РЗ при внешних КЗ. В связи с этим в схеме РЗ предусматривается устройство контроля за исправностью ВЧ-канала. Для этой цели установлены кнопка К и милли- амперметр (рис. 13.11). Периодически дежурный персонал, нажимая кнопку К, пускает передатчик и по показанию милли- амперметров, установленных в выходной цепи приемников, проверяет значение тока приема на обоих концах ЛЭП. Пепь от кнопки К заводится через контакты реле КБ! с тем, чтобы проверка не препятствовала правильной работе РЗ, если во время проверки возникнет КЗ. Для контроля исправности ВЧ-канала в современных ВЧЗ применяются автоматические Устройства с пуском от часов в определенное время суток. При выявлении неисправности устройство дает сигнал, по которо- му защита выводится из работы вручную или автоматически. 499
Схемы направленных высокочастотных защит. Направлен- ная защита с ВЧ-блокировкой. Защита состоит из двух полу, комплектов: одного - от междуфазных КЗ, сравниваю, щего направление мощности в фазах, и второго - от КЗ на землю, реагирующего на знак мощности НП. Каждый комплект выполняется по схеме, приведенной на рис. 13.11. В комплекте от междуфазных КЗ применяются РНМ, вклю- ченные на ток фазы и соответствующее напряжение, а в ка- честве пусковых - реле тока и PC. Комплект от КЗ на землю использует РНМ, включенные на мощность НП, и пусковые токовые реле НП. При КЗ на землю предусматривается блокировка междуфаз- ного комплекта для предупреждения его неправильного дей- ствия под влиянием токов в неповрежденных фазах. Комплект от междуфазных КЗ должен иметь блокировку при качаниях, а в схемах с пуском от PC - и блокировку при неисправностях в цепях напряжения. Несмотря на простоту принципа действия, полные схемы подобных ВЧЗ сложны. Поскольку ВЧЗ не реаги- рует на КЗ за пределами защищаемой ЛЭП, она должна допол- няться резервными РЗ: ДЗ от междуфазных КЗ и ступенчатой МТЗ НП от КЗ на землю. Дистанционная защита в сочетании с ВЧ-блокировкой. Дис- танционная РЗ имеет органы направления мощности (само- стоятельные или направленные ДО) и ПО. Используя эти элементы и добавляя к ним блокирующие реле и ВЧ-часть, можно получить комбинированную ВЧЗ, вы- полняющую функции основной и резервной РЗ с меньшим чис- лом реле, чем в предыдущем варианте. Контакты блокирующе- го реле в схеме комбинированной ВЧЗ шунтируют контакты реле времени второй (или третьей) зоны, разрешая защите действовать без выдержки времени при КЗ на защищаемой ЛЭП. Такая комбинированная ВЧЗ при помощи ВЧ-блокировки обеспечивает мгновенное двустороннее отключение КЗ в пре- делах защищаемой ЛЭП. Комплект же дистанционной Р^ позволяет отключать КЗ на шинах, резервировать РЗ следуюЩв* го участка, а также служить резервом при КЗ на защищаемой ЛП в случае отказа ВЧ-блокировки. Характеристика дистан- ционной РЗ с ВЧ-блокировкой приведена на рис. 13.12, штрихов- кой отмечено ускорение, достигаемое с помощью ВЧ-блоки- ровки. Принцип выполнения таких схем поясняется на 500
рис 13.12. Характеристика дистанци- онной РЗ с ВЧ-блокировкой Рис. 13.13. Принципиальная схема дистанционной РЗ в сочетании с ВЧ-блокировкой (для одной фазы) Рис. 13.14. Принципиальная схема направленной МТЗ нулевой последователь- ности с ВЧ-блокировкой рис. 13.13. Пусковые реле ПО1 и ПО2 и OHM KW1 (или направ- ленный ДО) ДЗ управляют работой ВЧ-поста и блокирующего ре- ле КБ, как показано на схеме. При КЗ на защищаемой ЛЭП, когда передатчики с обеих сторон ЛЭП остановлены, контакт блокирующего реле КБ.1 шунтирует контакты KTII.1 реле времени КТ.П второй зоны ДЗ, и она срабатывает без выдержки времени. При внешнем КЗ блокирующее реле не действует, и РЗ работает как дистанционная, резервируя следующий участок сети с помощью второй и третьей зон. Для предупреждения неправильной работы при качаниях пепь блокирующего реле заведена через контакты блокиров- ки при качаниях АКВ.1 ДЗ. Поскольку ДЗ используется в Рос- сии только как защита от междуфазных КЗ, необходимо преду- сматривать аналогичное сочетание резервной МТЗ нулевой последовательности с ВЧ-блокировкой. Схема подобной РЗ приведена на рис. 13.14. 501
Рис. 13.15. Фильтровая направленная: ВЧЗ с двусторонним реле направления! мощности | Преимущество комбинированного исполнения направлен- * ной ВЧЗ с резервной РЗ заключается в уменьшении числа ре- « ле. Недостатком совмещения резервной и основной РЗ явля- * ется отсутствие взаимного резервирования между ними. Фильтровая направленная защита с ВЧ-блокировкой. В фильт- ровых ВЧЗ орган направления мощности и пусковой орган реагируют на составляющие ОП. Такое исполнение РЗ дает ряд преимуществ. Фильтровые ВЧЗ получаются односистем- ными, они не реагируют на нагрузку и качания в симметрич- ных режимах. Фильтровые ВЧЗ от несимметричных поврежде- ний отличаются простотой. Они могут выполняться с одним РНМ, совмещающим функции ОНМ и ПО. На рис. 13.15 пред- ставлена схема с реле направления мощности KW двусторон- него действия. РелеКИ7 включено на ток и напряжение ОП. Вторым элементом является блокирующее реле КБ , дейст- вующее, как и в предыдущих схемах. При внешнем КЗ РНМ на приемном конце ЛЭП замыкает контакты KW.2 и пускает ВЧ-передатчик, который посылает блокирующий сигнал на противоположный конец ЛЭП, где KW замыкает контакт KW.1. Блокирующее реле КБ не позволяет ВЧЗ сработать на отключе- ние. При КЗ в зоне РНМ на обоих концах ЛЭП замыкают кон- такты KW.1, ВЧ-передатчики бездействуют, и реле КБ срабаты- вают на отключение с обеих сторон. При симметричных КЗ ВЧЗ не действует. Для устранения этого недостатка ВЧЗ нужно дополнить комплектом от трехфазных КЗ. Известно два вари- анта выполнения такой защиты: с РНМ ОП, переключаемым при симметричных КЗ на мощность фазы, и с трехфазным быстродействующим РНМ ОП, реагирующим и при симметрич- ных КЗ на мощность ОП, возникающую в начальный момент. Последний вариант разработан ВНИИЭ для ЛЭП 750 кВ.
13,6. СХЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ ВЦ-ЗАЩИТЫ Основные органы дифференциально-фазной защиты и осо- бенности их выполнения. Диффазная защита (рис. 13.16) со- состоит из следующих основных органов: пусковых ор- ганов тока ПО1 (1.KAZ1) и ПО2 (1.KAZ2), пускающих передат- чик и разрешающих РЗ действовать при КЗ; органа манипу- ляции, управляющего (с помощью 2-ТМ) ВЧ-передатчиком в зависимости от знака сравниваемых токов, и органа срав- нения фаз токов, действующего на отключение при совпаде- нии фаз токов, проходящих по концам ЛЭП. ДФЗ не реаги- рует на нагрузку, поэтому ПО в схемах этой защиты не являет- ся обязательным. Однако при его отсутствии любое нарушение непрерывной циркуляции токов ВЧ будет приводить к сраба- тыванию РО и ложному отключению ЛЭП. Поэтому во всех схемах ДФЗ применяются ПО, отстроенные от токов нагрузки. К особенностям выполнения ДФЗ относится одновременный пуск передатчиков на обоих концах защищаемой ЛЭП при внешних КЗ. При удаленных внешних КЗ, когда пусковые реле, пускающие ВЧ-передатчик, работают на пределе своей Рис. 13.16. Схема цепей переменного тока дифференциально-фазной ВЧЗ 503
чувствительности, возможна работа ПО только с одной сторо- ны ЛЭП. Тогда ток ВЧ будет прерывистым, и ДФЗ подействует ложно. Для исключения этого ПО ДФЗ выполнен из двух комплектов: одного чувствительного, пускающего ВЧ-пере- датчик, и второго - более грубого (в 1,5-2 раза), управляющего цепью отключения. Непрерывность ВЧ-сигнала при внешних КЗ и качаниях мо- жет быть нарушена вследствие неодновременного действия реле, пускающих передатчики, установленные на противопо- ложных концах ЛЭП. Поэтому пуск ВЧ-передатчиков при внеш- них КЗ должен осуществляться несколько раньше, чем сраба- тывает реле РО, замыкающее цепь отключения РЗ, а останов их должен происходить несколько позже возврата пусковых реле, управляющих цепью отключения1. Выполнение ДФЗ, сравнивающих токи в каждой фазе, сложно и дорого. Защита значительно упрощается и становится более надеж- ной, если вместо токов фаз сравнивать их симметричные со- ставляющие, получаемые от фильтров, преобразующих трех- фазную систему токов в однофазную. В качестве фильтра в ДФЗ этого типа используются комбинированные фильтры, на выходе которых получается ток /ф, пропорциональный + + kl2 или Jj + klo. Подобные фильтры обеспечивают действие ДФЗ при всех видах КЗ. В случае симметричных КЗ ток фильтра обусловли- вается составляющей 115 а при несимметричных КЗ - состав- ляющими Д и 12 или Ц и IQ. Дифференциально-фазная высокочастотная защита типа ДФЗ-201. Защита типа ДФЗ-201 выполняется на электромеха- нических реле, является усовершенствованной модификацией РЗ ДФЗ-2 и предназначена для ЛЭП 110 и 220 кВ в качестве основной быстродействующей защиты от всех видов КЗ. Прин- цип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов II + к12 по концам защищаемой ЛЭП. Схема ДФЗ построена аналогич- но принципиальной схеме, приведенной на рис. 13.4, имеет три органа: пусковой, манипуляции и сравнения фаз. 1 При КЗ в зоне передатчик на отключившемся конце ЛЭП должен немед- ленно останавливаться для предупреждения блокировки ДФЗ противополож- ной стороны. 504
Пусковой орган состоит из двух комплектов - один, более чувствительный, пускает ВЧ-пост, а второй управляет цепью отключения и реле сравнения РО. Оба комплекта приходят в действие только при появлении токов ОП и НП, благодаря этому они не реагируют на нагрузку и обладают высокой чув- ствительностью. Для обеспечения их действия при трехфазных КЗ ПО выпол- нен по схеме, позволяющей фиксировать кратковременную несимметрию, возникающую в первый момент трехфазно- го КЗ. Фиксация осуществляется по схеме, аналогичной при- меняемой в фильтровой ВЧЗ. В схеме ДФЗ предусмотрены дополнительные пусковые реле, обеспечивающие правильное действие защиты при трех- фазных КЗ. Эти реле реагируют на ток фазы и сопротивле- ние Z. Орган манипуляции подключается на токи ЛЭП через комбинированный фильтр (рис. 13.16), на выходе которого по- является напряжение VM = k"(h + k/2), управляющее работой генератора ВЧ. Релейная часть может работать совместно с ВЧ-постом типа УПЗ-70 или ПВЗК на электронных лампах и на полупроводни- ковых элементах. Ниже более подробно рассматриваются устройство отдельных элементов ДФЗ и ее схема (рис. 13.16- 13.19)*. Пусковой орган защиты. Комплект, пускающий ВЧ-пост, состоит из двух реле 1.KA.Z1 и 1.КА1 и промежуточных реле 1.KL1 и 1.KL2 (рис. 13.17), осуществляющих фиксацию появле- ния /2 и / . Комплект, управляющий релейной частью ДФЗ, 'выполняется с помощью трех реле 1.KAZ2, 1.КА2, 1.KZ и проме- жуточных реле 2.KL3 и 2.KL4, служащих для осуществления схемы фиксации. Реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2 являются основными пусковыми реле, действующими при всех видах КЗ. Они пита- ются выпрямленным током от фильтров токов ОП и НП (рис. 13.16). Реле 1.КА1, 1.КА2 и 1.KZ являются дополнительными и пред- назначены для действия при трехфазных КЗ. На длинных ЛЭП в качестве 1.KZ применяется направленное реле сопро- тивления типа КРС-2. На средних и коротких ЛЭП допустимо На этих рисунках принято двойное обозначение элементов и контактов ДФЗ: вне скобок указаны обозначения, соответствующие ГОСТ и принятые в Других главах книги; в скобках — по заводским чертежам. 505
1.КЛ1.2(1-РТ1) _ JH ___ 1КА21.1Р-ПР1) 1.KA1.1(1-m) 182? IXM-W-PW 1.XL2.2(t-Pfl2) 1. 8L2(1-PP2) 1.KL2.1(1‘M>2) « T.8LI(/-Pni) 1R26 IHU2(1-Pni) |zm>.3/a>ot| Пцск 14-n^aa^a. I.nuit-Ki) 2 ZKLS.JH-mi 2PL4I2-PP4) LJ -o------------- I KAll.ifrHH) 2.К13.Ц2-РПЗ) 1. 8А2П-РТ2) 2818-1 2 81.4 3 1 (2-РПЧ) 2 854.1 (2-ПР4) 2.KL5(2-PnS) 2.834 {]— 2.81.6 (2-РП6) 0-------77. (2-P8V If-WHJ 2-VDVf 2 833 (2-РЛ7) Й-------M- 2.813.212-РПЗ) 18L1 Ч(1'РП1) 2 8H4/2-PW) (2-РП8) 2.8L5 4(2-РП 5) 2. 85312-ПРЗ) 2. KL9.1(2-pP9) 1. 831 0JL 2 KL8f2-Pn8) | 28Н2/2-РУ2) ^j2.8£9i'2-PP9/ D 2 K83(2-P93) l AAZ2rIPm^ 2 KS4i(2-ftP4-f) —□— На отключение 2.833 2 839 Рис. 13.17. Схема цепей постоянного тока дифференциально-фазной ВЧЗ типа ДФЗ-201
использовать реле минимального напряжения, если оно обес- печивает необходимую чувствительность. Реле 1.КА1 и 1.КА2 являются токовыми реле типа РТ-40, включенными на ток одноименной фазы. Пуск ВЧ-генератора производится от реле } КЫ, которое приводится в действие пусковыми реле 1.KAZ1 иЛц 1.КА1. Обмотка 1.KL1 в нормальных условиях обтекается током, а контакты в цепи пуска генератора разомкнуты (рис. 13.17)- При появлении несимметрии (т. е. токов 12 и /0) реле l.KAZi размыкает цепь обмотки 1.KLI, которое, возвращаясь, пускает ВЧ-генератор, подавая на него ’’плюс” контактами IJKL1.2 и 1.KL1.3. Одновременно вторым контактом реле 1.KL1.1 размыкает цепь своей обмотки, исключая этим возмож- ность возврата реле при исчезновении кратковременной не- симметрии и фиксируя, таким образом, ее появление. Возврат реле 1.KL1 и прекращение работы ВЧ-генератора происходит при помощи реле 1.KL2. Это реле срабатывает через 0,5-0,6 с после разрыва тока, нормально проходящего по его обмотке через контакт 1.KL1.1, а при КЗ - через контакты I.KAZ1J и 1.КА1.1. При срабатывании реле 1.KL2 замыкает контактом 1.KL2.1 цепь обмотки реле 1.KL1, которое возвращается, пре- кращая пуск генератора ВЧ. Таким образом, пуск ВЧ-генера- тора осуществляется мгновенно, при срабатывании 1.KL1, а прекращение его действия - с замедлением 0,5-0,6 с после возврата 1.KL2 и 1.KL1. При повреждении в зоне действия ДФЗ прекращение работы ВЧ-передатчика производится одно- временно с подачей импульса на отключение выключателя от реле 2.KL6, которое исключает задержку отключения по- врежденной ЛЭП при каскадном действии ДФЗ. При отсутствии реле 2.KL6 передатчик на конце ЛЭП, отключившемся быст- рее, продолжал бы работать, посылая из-за прекращения ма- нипуляции сплошной ВЧ-сигнал, в результате чего ДФЗ на противоположном (еще не отключившемся) конце ДФЗ была бы заблокирована до тех пор, пока не возвратилось реле 1.KL.1. Пусковое реле 1.КА1 предназначено для исключения одно- стороннего пуска ВЧ-постов при трехфазных КЗ вне зоны ДФЗ, возможного под влиянием токов небаланса в фильтре, питаю- щем 1.KAZ1 и 1.KAZ2. Пуск цепи отключения ДФЗ при несимметричных КЗ произ- водится реле 1.KAZ2. Оно срабатывает при появлении несим- Метрии и своим замыкающим контактом пускает реле 2.KL5, а Размыкающим - приводит в действие 2.KL4, которое подводит 507
контактом 2.KL4.3 ’’плюс” к контактам 2.KS4.1 реле 2.KS4 При симметричных КЗ пуск ДФЗ осуществляется совместны^ действием реле 1.KAZ2 и 1.KZ. В этом случае реле 1.KAZ2 ср*. В батывает кратковременно и разрывает контактом 1.KAZ2J Я цепь обмотки реле 2.KL4, приводя его в действие. Одновремен- S но срабатывает вспомогательное пусковое реле 1.KZ, дейст- Я вующее в течение всего времени, пока длится трехфазное КЗ я Цепь пуска ДФЗ образуется через соединенные последователь- Ж но контакты реле 1.KZ2 и 2.KL8.1. Реле 2.KL8 срабатывает пос- v ле размыкания контакта 2.KL4.4. '= Такая схема исключает пуск ДФЗ при симметричных пере- грузках, так как в этом случае не действуют реле 1.KAZ2 и 1.KZ и кратковременных несимметриях, не сопровождающихся КЗ, | поскольку при этом не работает реле 1.KZ. Возврат реле 2.KL4 срабатывающего при действии 1.KAZ2, осуществляется при помощи реле 2.KL3, которое замыкает контакт через 0,25 с после срабатывания реле 2.KL4, разрывающего контактом 2.KL4.1 ток в его обмотках. Таким образом, цепь отключений при трехфазных КЗ замы- кается только на 0,25 с, этого замедления достаточно для дей- ствия ДФЗ при повреждении ЛЭП. При несимметричных КЗ цепь обмотки 2.KL5 остается замкнутой контактами 1.KAZ2.1, > пока продолжается КЗ. Кроме реле 2.KL4, цепью пуска реле 2.KL3 управляют реле 1.KZ и 2.KL5. Контакты реле 2.KL5 введены в эту цепь для ! устранения пульсации реле 2.KL3 и 2.KL4 в случае несиммет- ричного КЗ, продолжительность которого превышает время действия реле 2.KL3, а контакт реле 1.KZ.1 служит для блоки- ровки ДФЗ при нарушении цепи напряжения. При обрыве цепи напряжения пусковое реле 1.KZ срабаты- вает, в результате чего пуск ДФЗ становится возможным не только при КЗ, но и при кратковременной несимметрии без КЗ, что может вызвать неправильное действие защиты в слу- чае неисправности ВЧ-канала. Предусмотренная в схеме блокировка устраняет эту опас- ность. Срабатывая, реле 1.KZ пускает реле 2.KL3, которое с выдержкой времени шунтирует контакты пускового реле 1.KAZ2.1, не позволяя сработать реле 2.KL4, а следовательно, и ДФЗ при появлении несимметрии. Однако в результате та- кой блокировки ДФЗ не сможет действовать при трехфазных КЗ в зоне в случае повреждения ее цепей напряжения. 508
Этот недостаток частично устраняется при помощи реле 1 КА2 включенного, так же как и реле 1.КА1, на ток фазы, реле 1.КА2 приходит в действие при трехфазных КЗ, осуще- ствляя пуск ДФЗ помимо контактов I.KZ2 и 2.KL4.3. Для от- стройки от нагрузки уставка реле 1.КА2 берется грубой, поэто- му 1 КА? работает только при КЗ с большим током. Uenu переменного тока. Пусковые токовые реле 1.KAZ1 и 1 KAZ2 (рис. 13.16) выполняются при помощи поляризован- ных реле, питаемых токами 12 и 10 через выпрямители. Реле такой конструкции не имеют вибрации контактов и обладают незначительным потреблением. Последнее облегчает выпол- нение фильтра, от которого питаются реле. В целях повышения чувствительности пускового органа при однофазных КЗ реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2 могут питаться кро- ме тока 12 током 10. реле 1.KAZ2 имеет две обмотки. Рабочая обмотка 1.KAZ2 (рис. 13.16) действует на замыкание контактов, а тормозная обмотка l.KAZ2T (рис. 13.17) служит для улучшения возврата реле. Пусковой орган, выполненный по рассмотренной схеме, имеет следующие особенности: а) при несимметричных КЗ ДФЗ пускается на все время, пока длится КЗ, а при симметричных вводится только на время, достаточное для ее действия. При кратковременных несим- метриях, не сопровождающихся КЗ, передатчики пускаются на 0,6 с, цепь же отключения остается разомкнутой контак- тами реле 1.KZ.2, чем исключается неправильное действие ДФЗ; б) пуск передатчика всегда продолжается дольше, чем вре- мя включения реле 2.KS4. Благодаря этому при внешних КЗ Цепь отключения ДФЗ размыкается до прекращения блоки- рующего сигнала ВЧ, что повышает надежность ДФЗ при внеш- них КЗ; в) ДФЗ готова к повторному действию при несимметричных КЗ в любой момент, а при трехфазных - через 0,2 с после прекра- щения первого КЗ; г) во время неполнофазного режима пусковые органы ДФЗ могут прийти в действие, если токи 12 и 10 превысят уставку реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2. Однако ДФЗ блокируется, как при внешнем КЗ. 509
Рис, 13.18. Орган сравнения фаз: а — принципиальная схема; б - диаграмма работы В случае возникновения в этом режиме КЗ на защищаемой ЛЭП реле 2.KS4 сработает, и ДФЗ подействует на отключение. Орган сравнения фаз. Как указывалось, реле 2.KS4 питается анодным током приемника и реагирует на разность фаз токов по концам ЛЭП в зависимости от характера ВЧ-сигнала. В РЗ ДФЗ-201 в качестве реле 2.KS4 применено поляризованное реле, включаемое по схеме, показанной на рис. 13.18, а. Анодный ток приемника 1& при КЗ в зоне имеет прерывистый характер, изображенный на рис. 13.18, б. Если бы реле 2.KS4 питалось непосредственно анодным током, то его контакты замыкались бы ненадежно. Поэтому питание реле 2.KS4 осу- ществляется по особой схеме, преобразующей прерывистый анодный ток приемника в постоянный. Схема (рис. 13.18, а) со- стоит из трансформатора 2.TL, выпрямителя 2.VS8 и конденса- тора 2.С12. Для уяснения процесса преобразования предста- вим, что кривая анодного тока разложена на гармоники с час- тотами, кратными 50 Гц. Токи высших гармоник (/ > 50 Гц) замыкаются главным образом через конденсатор 2.С12, а токи основной частоты (f - 50 Гц) - через индуктивное сопротивле- ние первичной обмотки трансформатора 2.TL, имеющей для токов основной гармоники меньшее сопротивление, чем кон- денсатор 2.С12. Вторичный ток трансформатора 2.TL выпрям- ляется выпрямителем 2.VS8, сглаживается конденсатором 2.С12 и питает обмотку реле 2.KS4. В том случае, если контакты промежуточного реле 2.KL5.2 замкнуты, последнее срабатыва- ет только при действии пусковых реле ДФЗ при КЗ (см. рис. 13.17) 510
Рис 13.19, Фазная характеристика дифференциально-фазной ВЧЗ. За- штрихована эона блокировки Значение тока в реле зависит от продолжительности сигна- лов ВЧ. С уменьшением интервалов между импульсами тока ВЧ уменьшается ток 12KS4, поступающий в реле 2.KS4. При /2,К54 > > /ср реле 2.KS4 приходит в действие. Так как продолжитель- ность перерыва между ВЧ-импульсами зависит от сдвига фаз 4) между токами 1т и 1п по концам ЛЭП, то значение тока ^ks4 зависит от угла ф. Зависимость /2 KS4 ~ /(Ф)> называемая фазной характеристикой, изображена на рис. 3.19. Угол блокировки ДФЗ ₽ регулируется в пределах ± (45 - 60)°. Действие ДФЗ при различных режимах. При внешнем несим- метричном КЗ на обоих концах ЛЭП срабатывают пусковые реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2, приводящие в действие ВЧ-посты и раз- решающие работать реле 2.KS4 (рис. 13.17). Приемники прини- мают непрерывный сигнал ВЧ. Поэтому в реле 2.KS4 отсут- ствует ток, и его контакты в цепи отключения остаются разомкнутыми [56]. Внешнее симметричное КЗ. На обоих концах ЛЭП срабаты- вают пусковые реле 1.KAZ1 и 1.KAZ2. Через контакты 2.KL4, 1.КА2 и 1.KAZ2 подготавливается цепь отключения, но ДФЗ не действует, так как токи высокой частоты генерируются не- прерывно и в реле 2.KS4 отсутствует ток. Цепь отключения раз- рывается контактом реле 2.KL4.3 через 0,2 с, после чего ДФЗ готова к повторному действию. Пуск ВЧ-постов продолжается на 0,5-0,6 с больше времени отключения внешнего КЗ. 511
Короткое замыкание в зоне защиты. При двустороннем пи- тании токи КЗ проходят к месту повреждения с обоих кон. цов ЛЭП. Под влиянием этих токов срабатывают ПО, которые подготавливают цепь отключения и пускают генераторы ВЧ. Токи + kl2 на выходе фильтров манипуляции совпадают по фазе. В ЛЭП возникает прерывистый сигнал ВЧ, обусловли- вающий появление тока в реле 2.KS4 после замыкания цепи его обмотки контактами реле 2.KL5.2 (рис. 13.18). Реле 2.KS4 срабатывают на обоих концах ЛЭП, и ДФЗ дает команды на отключение выключателей. При одностороннем питании ток повреждения проходит только с одного конца ЛЭП. Под воздействием этого тока ДФЗ на питающем конце пускается при всех КЗ, но поведение защиты будет зависеть от приемного конца, где проходит толь- ко ток нагрузки. В случае несимметричного КЗ под влиянием напряжения ОП, возникающего в месте КЗ, по обоим концам ЛЭП будет проходить ток 12, замыкающийся на приемном конце через нагрузку. Под воздействием этих токов в ЛЭП появится прерывистый сигнал ВЧ, и ДФЗ сработает на отклю- чение. В случае симметричного трехфазного КЗ ток несимметрии появится только в первый момент. Пусковые реле 1.KAZ1 сра- ботают кратковременно и пустят передатчики на обоих концах ЛЭП на время, определяемое замедлением реле 2.KL2 и 2.KL3. Передатчик на питающем конце, управляемый током КЗ, будет посылать прерывистый сигнал ВЧ. Передатчик же на приемном конце будет работать непрерывно, посылая сплош- ной сигнал, так как напряжение у потребителя при металли- ческом К(Э) будет равно нулю, вследствие чего ток и манипу- ляция отсутствуют. В результате этого ДФЗ откажет в дейст- вии, поэтому КЗ должно отключаться резервной РЗ. Опыт эксплуатации показал, что дифференциально-фазные ВЧ-защиты быстро и надежно ликвидируют КЗ на линиях. Для дальнейшего совершенствования этих защит необходимо улучшить отстройку от помех ВЧ-аппаратов, которые в настоя- щее время часто под действием помех автоматически выводят защиту из действия. Для исключения влияния электромагнит- ных помех рассматривается возможность использования в качестве ВЧ-канала оптоволоконного кабеля. Выбор уставок ДФЗ приведен в [10].
13.7. НОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА С ВЧ-БЛОКИРОВКОЙ ПДЭ-2802 НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ Защита предназначена для ЛЭП 110-330 кВ, не имеющих ОАПВ, в качестве основной быстродействующей РЗ от всех видов КЗ. Защита может применяться и на ЛЭП с ответвлениями с выполнением мероприятий, исключающих ее неселективное действие при КЗ за трансформаторами ответвлений. При мало- мощных ответвлениях ВЧЗ ЛЭП удается отстроить от таких КЗ с помощью дополнительного комплекта ПО, предусмотрен- ного в ВЧЗ. При мощных присоединениях отстройка с помощью ПО невыполнима. В таких случаях для обеспечения селектив- ности на ответвлении устанавливается дополнительно упро- щенная ВЧЗ типа ПДЭ-2802. Она срабатывает при КЗ за транс- форматорами и посылает токи ВЧ на оба конца основной ЛЭП, блокируя действие установленной на ней ВЧЗ ПДЭ-2802. Принцип действия ВЧЗ ПДЭ-2802 основан на сравнении на- правления мощности по концам защищаемой ЛЭП (см. § 13.4). При несимметричных повреждениях сравниваются направле- ния мощности обратной последовательности (ОП), а при сим- метричных - фазные мощности. В первом случае в качестве органа направления мощности и пускового органа используют- ся РНМ, реле тока и напряжения ОП, во втором - направлен- ные PC, включенные на разность токов двух фаз и междуфаз- ное напряжение тех же фаз (/д - /в, Uab)- Благодаря такому построению ВЧЗ повышается ее чувствительность при несим- метричных КЗ и обеспечивается надежная работа ОНМ защи- ты при Kt3) (рис. 13.20), Характеристики органа направления мощности приведены на рис. 13.21, а, & реле сопротивления Дот, Z6jl, £доп - на рис. 13.21, б. Для организации канала связи используются приемопере- датчики типа АВЗК-80, обеспечивающие передачу блокирую- щих ВЧ-сигналов по фазе ВЛ, и устройства автоматического контроля ВЧ-канала типа АК-80. Измерительная часть РЗ реализована на операционных усилителях (ОУ) типа К553 УД2, а логическая - на микросхе- мах типа К176. На рис. 13.22 приведена упрощенная структурная схема РЗ. Схема состоит из измерительных органов (ИО), логической части и ВЧ-части (приемопередатчика и ВЧ-канала связи). 513
Рис. 13.21. Характеристики реле сопро- тивления в схеме ВЧЗ типа ПДЭ-2802 Рис. 13.22. Упрощенная структурная схема ВЧЗ типа ПДЭ-2802
Рис. 13.23. Упрощенная функциональная схема измерительной и логической' частей защиты В измерительной части имеется пять групп НО и соответ- ственно пять каналов логической части, обеспечивающих взаимодействие всех элементов защиты (рис. 13.22 и 13.23). Подробно устройство защиты рассматривается по упрощен- ной принципиальной схеме на рис. 13.24. Первая группа ИО и I канал логической части обеспе- чивают воздействие на выходные цепи РЗ (отключение выклю- чателей, сигнал телеотключения). В состав первой группы ИО входят: реле тока /20т и напряжения 1/20т обратной последо- вательности, подготавливающие цепь отключения при не- симметричных КЗ; реле направления мощности ОП М20Т> дающее сигнал на прекращение пуска ВЧ-передатчика и за- мыкающее цепь отключения при несимметричных КЗ; направ- ленное реле сопротивления Z0T (его характеристика показана на рис. 13.21,6), дающее сигнал на прекращение пуска ВЧ- передатчика и замыкающее цепь отключения при симметрич- ных КЗ. 516
Вторая группа ИО и II канал логической части обеспе- чивают пуск ВЧ-передатчика, что позволяет блокировать дей- ствие РЗ при внешних КЗ. В состав второй группы ИО входят: реле тока 12бл и напряжения С/2бл обратной последовательно- сти, осуществляющие пуск ВЧ-передатчика при несимметрич- ных КЗ; реле сопротивления Z6j], осуществляющее пуск ВЧ- передатчика при симметричных КЗ (характеристика этого ре- ле показана на рис. 13.21, б). Третья группа ИО иIII канал логической части обеспечи- вают функциональный контроль основного канала отключе- ния. В состав третьей группы ИО входят реле Z^, Z'^ и ^пуск. Выходы основного I и дополнительного III каналов соединены по схеме И. Поэтому сигнал отключения поступает на выход- ное реле только при наличии их на обоих каналах. Четвертая группа ИО и IV канал логической части представляют собой блокировку при качаниях (БК), предот- вращающую излишнее срабатывание ВЧЗ при качаниях, когда могут подействовать реле Z0T одновременно по обоим концам ЛЭП. Пусковыми органами БК являются элементы: А/, дей- ствующий при скачкообразном увеличении тока в случае воз- никновения трехфазного КЗ, и /2Пуск, реагирующий на началь- ную несимметрию. Пятая группа ИО и V канал логической части имеют два функциональных назначения - отстройку РЗ, установленной на многоконцевой ЛЭП, при КЗ за трансформатором ответ- вления (подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 15) и защиту ЛЭП при опробовании ее напряжением. В состав этой группы ИО входят: два дополнительных PC, включенные на фазы ВС и СА (Zbch и ^САд) и токовое репе нулевой последовательности 10. Рассмотрим, как будет действовать ВЧЗ при различных ви- дах КЗ вне зоны и в зоне действия защиты (см. рис. 13.24). При несимметричном КЗ вне зоны ВЧЗ. Реле ЧО2бЛ (4бл и ^збл) И ЛО20Т (Лот и Цгот) приходят в действие на обоих концах защищаемой ЛЭП, а на одном из ее концов (удаленном от мес- та повреждения) сработает реле М20Т. Реле /2бЛ и С/2бЛ пускового органа ЛО2бл и подают сигнал, который по логическим элемен- там канала II поступает на вход передатчика ВЧ и приводит его в действие. Дальнейшее поведение ВЧЗ определяется по- ведением ОНМ М20Т. На ближнем к месту КЗ реле М20Т не дей- ствует, так как мощность ОП направлена от шин в защищае- мую ЛЭП, поэтому передатчик ВЧ на этой стороне работает 517
Рис. 13.24. Принципиальная схема логической 518
части ВЧЗ ПДЭ-2802 519
непрерывно, посылая блокирующий ВЧ-сигнал на противопо- ложный конец ЛЭП. Сигнал отключения отсутствует (так как М2от не работает). На удаленном от КЗ конце ЛЭП мощность S2 направлена к шинам, ОНМ М20т срабатывает и останавлива- ет свой передатчик, подав сигнал запрещения на логический элемент И (DX3) канала II (рис. 13.24). Поскольку реле ЛО2от и М207 пришли в действие, на выходе элемента ИЛИ DW5 по- является сигнал отключения, но он не может пройти по эле- ментам канала I, поскольку приемник ВЧ, получивший ВЧ- сигнал от передатчика ближнего конца, подает сигнал запре- та на логический элемент И (DX7) канала I. Таким образом, ВЧЗ на обоих концах не действует - на ближнем конце из-за недействия М20т, на дальнем - вследствие запрета от блоки- рующего сигнала, поступившего по каналу ВЧ с противополож- ной стороны. При несимметричном КЗ в зоне. На обоих концах ЛЭП сраба- тывают ПО2бл, пускающие ВЧ-передатчики, иПО2ОТ, готовя- щие схему отключения, а также ОНМ- реле М20т. Последний останавливает работу передатчиков ВЧ-подачей сигнала за- прета на логический элемент И DX3 канала II и подает на вход канала отключения сигнал, который проходит беспрепятствен- но по всем элементам канала. Под действием реле /^пуск бло- кировки при качаниях в канале III, контролирующем правиль- ность работы канала I, возникает сигнал отключения. Сигналы отключения каналов I и III приходят на вход логического эле- мента И DX13. Элемент переключается, на его выходе появля- ется сигнал, который приводит в действие выходные цепи РЗ. Особенности выполнения защиты, связанные с симметрич- ными повреждениями. При трехфазнйх КЗ ИО РЗ являются два направленных ИО сопротивления Z0T и 26л (рис. 13.24). Они включены на линейное напряжение АВ и соответствую- щую разность фазных токов. Орган сопротивления Z0T вводит- ся в действие логической схемой блокировки при качаниях на время t (0,2-0,4 с - элемент DTI) после возникновения КЗ с последующим выводом на заданное время t (до 12 с ступеня- ми по 3 с - элемент DS1) или до окончания несимметрично- го КЗ. Органами блокйровки при качаниях, как указано выше, являются ИО тока ЦПуск с торможением от трех разностей фаз- ных выпрямленных токов и более грубый ИО А/, реагирующий на производную модуля разностей фазных токов. 520
При возникновении симметричных КЗ под влиянием крат- ковременной предшествующей несимметрии срабатывают ИО 1збл5 ^збл> Лот» ^гот и Лот и, как и ПРИ несимметричных КЗ, пускают передатчики и подготавливают цепи отключения. Одновременно, за счет срабатывания ИО Лпуск или М, обес- печивается пуск схемы блокировки при качаниях на элемен- те DW1. Блокировка при качаниях вводит ИО сопротивления Z0T на элементе И DX8 и далее DW5 (I канал). Ввод БК осуществляет- ся на элементе ’’Запрет” DX5 до срабатывания элемента вре- мени DT1. После срабатывания DT1 появляется запрещающий сигнал на элементе DX5, и блокировка выводится из действия на время, определяемое элементом DS1 в цепи обратной свя- зи с выхода DS1 на вход DW1. После перехода несимметрично- го КЗ в симметричное ИО, реагирующие на составляющие ОП, возвращаются, и срабатывают ИО сопротивления (ИО Z могут сработать и до исчезновения несимметрии). При симметричных КЗ в защищаемой зоне срабатывают ИО Z0T на всех концах и через элементы И DX8, ИЛИ DW4 и ’’За- прет” DX6 останавливают пуск ВЧ-передатчиков на всех кон- цах ВЛ (даже если сработал ИО 2бЛ> рис. 13.24) и через элементы ИЛИ DW5 воздействуют на основной канал отключения. Если симметричное КЗ внешнее, то на конце ВЛ, ближай- шем к месту КЗ, срабатывает ИО Z^n и через элементы ИЛИ DW3 ’’Запрет” DX6, ИЛИ DW9, ’’Запрет” DX12, ИЛИ DWU, ’’Запрет” DX14 и усилитель DU5 пускает ВЧ-передатчик. На другом кон- це ВЛ может сработать ИО Z0T, однако отключения не произой- дет в связи с наличием блокирующего сигнала на входе эле- мента ’’Запрет” DX7. Особенности выполнения защиты, связанные с ее использо- ванием на ВЛ с ответвлениями. Для обеспечения отстройки РЗ питающего конца ВЛ от междуфазных КЗ за трансформато- ром ответвления предусматривается установка двух дополни- тельных ИО сопротивления Zp^a и ^САд (блок V). Для обеспе- чения срабатывания РЗ при КЗ на землю на защищаемой ВЛ, когда ИО сопротивления могут не сработать, предусмотрена установка ИО тока НП 10. Орган тока отстраивается от брос- ков тока намагничивания трансформаторов аналогично ИО дифференциальной РЗ трансформатора. Указанные два ИО сопротивления 2д0П, ИО тока IQ и реле ZOT включены на вход элемента ИЛИ DW2 (канал V). Сигнал с 521
выхода последнего контролирует цепь отключения на элемен- те И DX10, что обеспечивает срабатывание РЗ при КЗ на ВЛ и отстройку от КЗ за трансформаторами ответвления. Особенности выполнения защиты, связанные с режимами включения защищаемой ВЛ (рис. 13.24). Рассматриваемая РЗ предназначена для использования на ВЛ 110-220 кВ, где TH установлены на шинах со стороны питающих концов. Из-за разновременности включения фаз выключателя ИО Мгот может излишне сработать при замыкании ВЛ 110-220 кВ в транзит. В целях исключения ложного срабатывания РЗ при замыкании ВЛ в транзит (TH на шинах) любая операция с вы- ключателями сопровождается пуском блокирующего ВЧ-сиг- нала по цепи: контакт реле KL1, элемент выдержки времени на возврат DS2, элементы ИЛИ DW9, ’’Запрет” DX12, ИЛИ DW11, ’’Запрет” DX14 и усилитель DU5. При опробовании ВЛ или в цикле АПВ предусматривается возможность работы РЗ независимо от наличия блокирующего ВЧ-сигнала в течение 0,75 или 1,5 с после включения ВЛ. Защита в отдельных случаях может применяться на ВЛ 330 кВ, где TH, как правило, устанавливается на ВЛ. При этом возможен воз- врат ИО М2ст при отказе фазы выключателя при отключении КЗ на ВЛ 330 кВ. Для обеспечения действия РЗ на УРОВ фиксация первого срабатывания РЗ полезна и в этом случае. Контроль функционирования защиты. Для обеспечения вы- сокой надежности функционирования панели РЗ типа ПДЭ-2802 предусмотрен ряд мер. 1. Для снижения вероятности ложной работы РЗ выход основ- ного канала I контролируется дополнительным каналом III на схеме И DX13. Дополнительный канал III образован, как указано выше, тремя ИО: Zgn, 2©т и ИО JjnycK» включенными по схеме ИЛИ (элемент DW8). Неисправность каждого из каналов выявляется по факту длительного несоответствия сигналов на их выходах (бо- лее 10 с) с помощью элементов ’’Запрет” DX15 и DX16 (на рис. 13.24 не показаны). 2. В схеме панели предусмотрен непрерывный контроль ис- правности ИО с сигнализацией о возникновении неисправно- сти в случае длительного (более 10 с) срабатывания любого ИО. Оценка высокочастотных защит Принцип действия ВЧЗ направленных и дифференциально- фазных надежен и прост. Эти РЗ являются единственными за-
щитами, обеспечивающими мгновенное и двустороннее отклю- чение КЗ в пределах всей ЛЭП. Общим недостатком всех ВЧЗ являются более высокая стоимость и сложность по сравнению с другими видами РЗ. Высокочастотные защиты получили широкое распростране- ние как основные РЗ в сетях 110-1150 кВ. Они позволяют обес- печить быстрое и селективное отключение КЗ при любой кон- фигурации сети и являются наиболее чувствительными. Направленная ВЧ защита предъявляет к ВЧ каналу меньшие требования, чем ДФЗ. Время нарастания сигнала на выходе приемника может быть выбрано в 2-4 раза большим, а, следо- вательно, можно в 2-4 раза уменьшить полосу пропускания канала. Кроме того, при КЗ в зоне действия РЗ по каналу на- правленной ВЧ защиты не передается ВЧ сигнал, что обеспе- чивает повышение помехоустойчивости по сравнению с ДФЗ и дает возможность в той же полосе частот передавать и отклю- чающие (разрешающие) сигналы. Вопросы для самопроверки 1. Принципы действия ВЧ защит. 2. Из каких элементов состоит ВЧ канал и каково их назна- чение? 3. Для чего применяется комбинированный фильтр It + к12 в защите ДФЗ-201? 4. Из каких органов состоит защита ДФЗ? 5. Какова роль ВЧ сигналов в направленной и диффазной защитах? 6. Какие пусковые органы используются в защите ПДЭ-2802? 7. Почему применяются два пусковых органа с разной чув- ствительностью? Глава четырнадцатая ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 14.1. ОСОБЕННОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Электрические сети напряжением 330 кВ и выше называются сетями сверхвысокого напряжения (СВН), они сооружаются для передачи больших потоков электроэнергии на далекие 523
Рис. 14.1. Схема двухцепной электропередачи сверхвысокого напряжения расстояния. В нашей стране основными межсистемными свя- зями служат электропередачи СВН 330-1150 кВ. Характерной особенностью ЛЭП СВН являются большая протяженность и. высокий уровень передаваемой по ним мощности. Чем выше уровень напряжения, тем выше пропускная способность ЛЭП. Эти ЛЭП имеют большое сопротивление, значительную емкост- ную проводимость относительно земли, высокий уровень коммутационных перенапряжений, поэтому их конструктив- ное исполнение имеет некоторые особенности: 1) вследствие больших значений токов нагрузки сечение проводов получается очень большим, поэтому для уменьше- ния индуктивного сопротивления ЛЭП ее фазы выполняются расщепленными на несколько параллельно идущих проводов (2 провода на ЛЭП 330 кВ, 3 - на ЛЭП 500 кВ, 4 - на ЛЭП 750 кВ, 8-наЛЭП 1150кВ); 2) на обоих концах ЛЭП устанавливаются шунтовые реакто- ры Р (рис. 14.1). Они ограничивают коммутационные перена- пряжения и осуществляют компенсацию большого емкостно- го тока фаза-земля. Это способствует поддержанию нормаль- ного уровня напряжения и гашению электрической дуги в месте повреждения в цикле ОАПВ; Рис. 14.2. Продольная емкостная компенсация электропередачи сверхвысокого напряжения: а — схема включения конденсаторов; б — схема замещения 524
3) для повышения пропускной способности электропередачи, ограниченной по условиям устойчивости, иногда применяет- ся продольная емкостная компенсация (рис. 14.2). Конденса- торы С, включенные последовательно в фазы ЛЭП, уменьшают (компенсируют) индуктивное сопротивление фаз; 4) предусматривается пофазное управление выключателя- ми, позволяющее применять однофазное АПВ (ОАПВ) и отклю- чать при К{1) одну поврежденную фазу, сохраняя в работе ЛЭП с двумя фазами, что способствует сохранению устойчивости электропередачи. 14J. ОСОБЕННОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЛЭП СВН 1. Электропередачи 500-1150 кВ работают с малым запасом устойчивости, поэтому к РЗ электропередач СВН предъявляют- ся высокие требования в части быстродействия. Как правило, КЗ в любой точке ЛЭП необходимо отключать со временем не более 0,1-0,12 с, а на ЛЭП 750 и 1150 кВ - 0,06-0,08 с. С учетом того, что современные выключатели действуют со временем 0,04-0,06 с, собственное время действия РЗ на ЛЭП 500 кВ не должно превышать 0,04-0,05 с, а на ЛЭП 750-1150 кВ - 0,02 с. 2. Благодаря большой длине и высокой загрузке ЛЭП токи и сопротивления Zp в нормальных режимах во многих случаях оказываются соизмеримыми с их значениями при КЗ. Это усложняет выполнение РЗ и требует применения устройств с характеристикой срабатывания, обеспечивающей повышен- ную чувствительность при КЗ, но отстроенных от нагрузки. 3. Вследствие большого значения емкостной проводимости фаз относительно земли {Yq = ыС) ЛЭП 500-1150 кВ и высокого уровня рабочего напряжения емкостные токи Iq = ил&С на ЛЭП сверхвысокого напряжения значительно превосходят аналогичные токи в сетях ПО и 220 кВ. Ток одного километ- ра ЛЭП при номинальном напряжении составляет в сетях: 1150 кВ-2,56 А; 750 кВ - 1,6 А; 500 кВ - 1,1-1,3 А; 330 кВ - 0,65 А; 220 кВ - 0,46 А; 110 кВ - 0,2 А. В результате этого емкостные токи на длинных ЛЭП СВН оказывают заметное влияние на работу РЗ. При анализе и расчетах распределенную по длине проводов емкость фазы ЛЭП обычно заменяют сосредоточенной емкостью С по Т- или П-образной схеме. Как показано на рис. 14.3, ток на одном конце ЛЭП равен геометрической сумме, а на другом - геомет- 525
Рис. 14.3. Схема замещения электропередачи с учетом емкостной проводимости и векторные диаграммы токов при внешнем КЗ рической разности тока 1с и сквозного тока 1К: Im = IK + 1Ст, а 1п = 1сп - /к. Таким образом, ток 1с искажает значение и фазу тока, проходящего по ЛЭП. Чем больше 1с и меньше /к, тем сильнее искажающее влияние емкостных токов на работу дифференциально-фазной и направленной ВЧЗ. На рис. 14.4 представлено распределение токов 1г по парал- лельным ЛЭП при несимметричном КЗ в точке К. Если при этом напряжение U2 на шинах тип окажется одинаковым, то в неповрежденной ЛЭП W1 будет проходить только емкост- ный ток (сквозной ток 12 = 0). На обоих концах ЛЭП емкост- ный ток равен 12с/2 и имеет одинаковую фазу. Это значит, что фазы токов на концах неповрежденной ЛЭП будут таки- ми же, как и при КЗ на ней. Благодаря этому дифференциаль- но-фазная защита на неповрежденной ЛЭП W1 будет действо- вать под влиянием емкостного тока неправильно. Искажающее влияние емкостной проводимости на токи КЗ устраняется применением устройства, компенсирующего ток 1с во вторичном токе ТТ, питающих ВЧЗ. При наличии компен- сации ток, питающий ВЧЗ, на обоих концах ЛЭП будет равен току сквозного КЗ. Такая компенсация получила примене- ние в дифференциально-фазных и направленных ВЧЗ 500- 1150 кВ. 4. На ЛЭП 500 и особенно 750 и 1150 кВ при появлении и от- ключении КЗ, а также при оперативных переключениях воз- никают электромагнитные переходные процессы, обусловлен- ные наличием индуктивного сопротивления шунтирующих реакторов, емкости продольной компенсации и распределен- 526
Рис. 14.4. Распределение токов по параллельным линиям при несимметричном коротком замыкании в точке К с учетом емкостной проводимости ЛЭП: а - схема электропередачи; б — схема замещения для обратной последова- тельности ных постоянных L и С длинных ЛЭП. Вследствие значитель- ного преобладания реактивного сопротивления X = ыЬ над активным R в элементах сети СВН затухание переходных процессов происходит относительно медленно. Вблизи мощных электростанций и крупных узловых подстанций постоянная времени т = L/R (характеризующая затухание) достигает деся- тых долей секунды (т «= 0,3 с). Переходные процессы сопровож- даются появлением апериодической составляющей и токов высших и низших частот. Апериодический ток искажает вто- ричный ток, питающий РЗ, и может вызвать неправильную ра- боту или замедление быстродействующих измерительных органов. Нежелательное влияние токов с частотой, отличной от 50 Гц, устраняется применением частотных фильтров, про- пускающих в РЗ только токи основной частоты. РЗ, применяемые в сетях сверхвысокого напряжения, долж- ны иметь высокую помехоустойчивость, быть надежно защище- ны от внешних помех. 5. Емкость С устройства продольной емкостной компенса- ции (УПК) уменьшает реактивное сопротивление ЛЭП и оказы- вает вследствие этого влияние на значение и фазу токов и сопротивлений, на которые реагируют токовые, направленные и дистанционные РЗ. Рассмотрим особенности условий работы некоторых РЗ на ЛЭП с УПК. Токовые отсечки. Ток КЗ, на который реагирует отсечка: 1К = Е/Хдк, где ХАк - реактивное сопротивление сети от источ- ника питания до точки КЗ (рис. 14.5, а). При КЗ до УПК Хак ~ ~ Хс + оно растет при удалении точки КЗ, в связи с чем 527
6! Рис. 14.5. Влияние устройства продольной емкостной компен- сации (УПК) на работу токовой отсечки: а - участок сети с УПК- б - характер изменения тока КЗ и эона действия отсечки при наличии и отсутствии УПК (кривые 1 и 2) ток 1К (рис. 14.5, б) уменьшается. В случае КЗ за УПК ХА%2 = = Хс + Х^к - Хупк- Таким образом, при перемещении места КЗ из К1 в К2 ток КЗ увеличивается скачком от /К1 до 1К2, так как из-за наличия емкости ХА%2 < ХА^х. По мере дальнейшего перемещения точки К2 1К снова уменьшается за счет рос- та Хкк> Характер изменения тока в зависимости от расстояния до места КЗ на ЛЭП с УПК изображен на рис. 14.5, б кривой 2, при отсутствии УПК - кривой 2. Ток срабатывания мгновенной отсечки выбирается так, чтобы она не действовала за предела- ми защищаемой ЛЭП. Из приведенных кривых 1 и 2 видно, что при наличии УПК 1С''Э > 2^.3, а зона действия отсечки соот- ветственно меньше, чем при отсутствии УПК (ОД < ОВ). Таким образом, продольная компенсация существенно сни- жает эффективность токовой отсечки и ограничивает возмож- ность ее применения. Аналогично влияет УПК и на токовые отсечки нулевой последовательности, но в меньшей степени, поскольку Хо ЛЭП в 2-3 раза больше Xlf а Хо иХ, УПК одинаковы, поэтому емкостное сопротивление Хупк в меньшей степени снижает суммарное индуктивное сопротивление Хо сети и ЛЭП от места установки защиты до точки КЗ. Дистанционная защита. На рис. 14.6 показан характер изме- нения сопротивления Zpi = ZAK при удалении точки КЗ К от места установки ДЗ Р1. При КЗ до УПК (участок ЛЭП АС на рис. 14.6, а, 6) Zp = ZAK1 = RylAK1 + ]Ху1АК1, где Ry и Xy - удель- 528
ные сопротивления 1 км, а /Axi ~ расстояние до точки К1. На этом участке сопротивление Zp растет пропорционально расстоянию до места КЗ. При переходе точки КЗ за УПК (из К1 в К2) величина Zp = + }(Ху1дк2 ~ Хупк) резко уменьша- ется, поскольку Хупк компенсирует определенную часть ин- дуктивности ЛЭП. При дальнейшем удалении точки К (за точ- ку К2) Zp снова нарастает, но закон пропорциональности меж- ду Zp и 1К нарушается (рис. 14.6, б, в). Таким образом, далекое КЗ, происшедшее на смежной ЛЭП BD, воспринимается защитой Р1 как близкое КЗ, расположенное на защищаемой ЛЭП АВ, в результате Р1 может срабатывать неправильно с выдержкой времени первой зоны. Помимо ис- кажения величины Zp сопротивление Хупк может исказить знак реактивной составляющей Zp, что приведет к нарушению направленности действия РЗ. Такие условия возникают, когда емкостное сопротивление УПК преобладает над индуктивным сопротивлением ЛЭП от места установки реле сопротивления до места включения продольной компенсации. Например, для при Хупк > ХАС = XylAC - Xyv сопротивление ZK2 в случае 529
повреждения в точке К2 и за ней имеет емкостный характер поэтому вектор Zp = ZK2 расположен в IV квадранте (рис. 14.6, е). Это означает, что реле сопротивления Р1 не будет действовать оно воспринимает это КЗ как повреждение до шин А, Реле РЗ находящееся у места КЗ (при повреждении в К2), отказывает в действии по той же причине, так как Хупк > Хвс* В то же вре- мя реле Р2 приходит в действие, хотя по своему принципу оно не должно работать. При индуктивном сопротивлении участ- ка ВС (КЗ в KI) Zp2 на реле Р2 имеет отрицательный знак и располагается в III квадранте (рис. 14.6, д), если же сопротив- ление участка ВС станет емкостным (при КЗ в К2), то вектор попадет во II квадрант, в часть, охваченную характеристикой реле, и оно неправильно сработает. Из сказанного следует, что наличие УПК существенно влияет на поведение ДЗ, иска- жая значение и знак Zp, что приводит к неправильным дейст- виям этих РЗ. Применение дистанционных РЗ в сети с УПК возможно при условии ограничения их зон действия и при относительно небольшом значении Хупк- Например, если ^упк < %ав, т0 первая зона' РЗ PI должна быть отстроена от ZK2, как представлено на рис. 14.6, в (окружность 1), вторая зона (окружность 2) должна охватывать остальную часть ЛЭП, не вошедшую в первую зону. Защиту Р2 можно применять толь- ко с выдержкой времени, поскольку она теряет направлен- ность при КЗ за УПК. Защита РЗ, как правило, неэффективна (с учетом ее отказа) в работе при КЗ за УПК. Направленные токовые защиты. Наличие УПК может вы- звать отказ и неправильное действие РНМ в направленных РЗ. Например, РНМ, расположенное в Р2 (рис. 14.6, а), может непра- вильно работать при КЗ в точке К2 за УПК (см. характеристи- ку реле 1 на рис. 14.6, д). 143. НАПРАВЛЕННАЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНАЯ ВЧЗ ТИПА ПДЭ-2003 Эта панель используется в качестве основной ВЧЗ ЛЭП 500-750 кВ от всех видов КЗ, возникающих как в полнофазном режиме, так и при работе ЛЭП двумя фазами в цикле ОАПВ. Время действия РЗ составляет 0,02 с. Измерительные органы и логическая часть панели ВЧЗ выполнены на современных интегральных микросхемах, в частности ОУ типа К553 УД2 и логических микросхемах ти- 530
рис. 1^.7. Пусковые органы ВЧЗ при действии ее в режиме сравнения направле- ния мощности: а - пуск ВЧ-передатчика; б - подготовка цепи отключения па К5П. Это обеспечило существенное повышение быстродей- ствия и чувствительности РЗ по сравнению с параметрами РЗ на электромеханических реле. Реализация фильтров симметричных составляющих и ча- стотных фильтров, а также измерительных органов на ОУ обес- печила резкое уменьшение потребления токовых цепей и це- пей напряжения ВЧЗ. Для повышения быстродействия ВЧЗ имеет тиристорные блоки, воздействующие на ЭО выключателей, а для повыше- ния надежности функционирования ВЧЗ снабжена устройства- ми непрерывного и тестового контроля. Устройство непре- рывного контроля сигнализирует о неисправности отдельных элементов и узлов. Устройство тестового контроля позволяет производить проверку ВЧЗ без переключений и подсоедине- ний к ряду зажимов панели с минимальной затратой времени. Для организации канала связи используются приемопере- датчики типа АВЗК-80, обеспечивающие передачу блокирую- щих ВЧ-сигналов по фазе ЛЭП, и аппаратура автоматического контроля каналов типа АК-80. При полнофазном режиме работы ЛЭП ВЧЗ используется в режиме направленной ВЧЗ. Поскольку направленная ВЧЗ не обеспечивает четкого действия при КЗ в цикле ОАПВ, предусмотрен перевод ее в режим ДФЗ на время работы ЛЭП двумя фазами. В схеме ВЧЗ при действии ее в режиме сравнения направ- ления мощности СНМ ОП используются следующие пусковые органы (рис. 14.7): напряжения ОП U2, осуществляющий пуск ВЧ-передатчика при возникновении несимметрии; ОНМ ОП двустороннего действия М2, осуществляющий пуск ВЧ-передатчика (блокировку ВЧЗ) по цепи М2$п при на- 531
Рис. 14.3. Схема и диаграмма поясняющие электрическое смещение точки подклюЧе. ния реле М2от правлении перетока мощности ОП от защищаемой ЛЭП к ши- нам подстанции и подготовку цепи отключения по цепи М20т при направлении потока мощности ОП от шин в защищаемую ЛЭП; реле сопротивления, замыкающее цепь отключения при трехфазном КЗ на защищаемой ЛЭП. Взаимодействие перечисленных выше пусковых органов, логических элементов и ВЧ-приемопередатчика обеспечивает действие ВЧЗ на отключение при повреждении защищаемой ЛЭП и блокировку ВЧЗ (предотвращение ее срабатывания) при внешних КЗ. Для повышения чувствительности ВЧЗ по напряжению при питании длинных ЛЭП от шин мощных подстанций или электростанций предусмотрена возможность электрического смещения точки подключения реле М20Т от шин на защищае- мую ЛЭП на величину ZK. При этом к реле М2$п подводится напряжение начала защищаемой ЛЭП U2, а к реле М20Т ^'2 + + I2ZK (рис. 14.8). Для обеспечения правильной работы ВЧЗ при КЗ вне защи- щаемой ЛЭП (см. рис. 14.4) реле М2 содержит устройство ком- пенсации емкостных токов (УКЕТ). Степень компенсации из- меняется в зависимости от режима работы защищаемой ЛЭП: в нормальном режиме уставка проводимости УКЕТ реле М2 (М2бл и М20т) равна половине емкостной проводимости ЛЭП, при отключении ЛЭП с двух сторон - 1,2-1,4 полной емкостной проводимости ЛЭП. На время цикла ОАПВ ВЧЗ переводится в режим сравнения токов фаз по концам защищаемой ЛЭП при постоянной цир- куляции токов ВЧ. Для срабатывания ВЧЗ при этом достаточ- 532
но появления одной паузы в ВЧ-сигнале длительностью бо- лее 4 мс (-72° для промышленной частоты). После окончания цикла ОАПВ осуществляется возврат к режиму СНМ. Этот возврат производится либо при работе ЛЭП тремя фазами с обеих сторон, либо когда она уже отключена после неуспешного ОАПВ. 14.4. ВЫПОЛНЕНИЕ РЗ НА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧАХ 500-1150 кВ Кроме основной быстродействующей ВЧЗ типа ПДЭ-2003 на ЛЭП СВН используются ступенчатые МТЗ НП от КЗ на зем- лю и ДЗ от междуфазных КЗ. Вторая и третья ступени ДЗ долж- ны иметь характеристику срабатывания в виде четырехуголь- ника. ЧЭАЗ выпускает для ЛЭП СВН в качестве комплекта резервной РЗ (дистанционной и токовой НП) панели типов ПДЭ-2001 и ПДЭ-2002. Отказ в действии основной быстродействующей РЗ и особен- но одновременный отказ в работе основной и резервной РЗ могут привести к нарушению устойчивости электропередачи и вызвать тяжелую аварию системного значения, поэтому РЗ дальних электропередач должна обладать особенно высокой надежностью действия. Для этого помимо повышенной надеж- ности самих устройств РЗ, применяемых на дальних электро- передачах, необходимо выполнить два условия: 1) предусмот- реть разделение токовых цепей и оперативных цепей основной и резервной РЗ так, чтобы неисправность любого элемента од- ной РЗ не могла привести к отказу в действии другой; 2) обес- печить при отказе основной РЗ работу резервной РЗ с выдерж- кой времени, гарантирующей сохранение устойчивости элект- ропередачи. Второе условие можно выполнить передачей раз- решающего или отключающего сигнала при действии I ступе- ни резервной РЗ на одном из концов поврежденной ЛЭП на ее противоположный конец. Вторым вариантом, обеспечивающим сохранение устойчиво- сти при отказе основной РЗ, является установка наряду с ре- зервной второй основной быстродействующей РЗ. Вызванные этим удорожание и усложнение РЗ вполне оправданы. Телеускорение резервных РЗ и телеотключение. На ЛЭП СВН Для ускорения ликвидации повреждений и резервирования на случай отказа основных быстродействующих РЗ передаются 533
Рис. 14,9. Схема цепей телеускорения за. щит и телеотключения поврежденной ЛЭЦ Вопросы для самопроверки 1. Какие особенности линий сверхвысокого напряжения сле- дует учитывать при выполнении РЗ? 2. Как влияет продольная компенсация на работу дистан- ционной защиты? отключающие команды на противоположный конец защищав- мой ЛЭП. Применяется два типа подобных команд: путем ускорения соответствующих резервных ступеней РЗ, действую- щих обычно с выдержками времени - телеускорение (ТУ); путем непосредственного (без дополнительного контро- ля) отключения трех фаз защищаемой ЛЭП - телеотклю- чение (ТО). Применяется телеускорение: третьей ступени РЗ от КЗ на землю (с действием через ОАПВ) от схемы ОАПВ противополож- ного конца ЛЭП в случае поступления в схему ОАПВ сигнала от сработавших быстродействующих РЗ на отключение ЛЭП с последующим действием ОАПВ ТУГ, третьей ступени РЗ от КЗ на землю и второй ступени дистанционной РЗ ДЗц с дейст- вием их на отключение трех фаз защищаемой ЛЭП при поступ- лении сигнала ТУ от реле, действующих на отключение выклю- чателей всех фаз противоположного конца ЛЭП ТУ2 (рис. 14.9). Телеотключение ТО воздействует на отключение всех фаз защищаемой ЛЭП с запретом действия ТАПВ в случае сраба- тывания на противоположном конце УРОВ или устройств проги* воаварийной автоматики (ПА). Для передачи команд ТО и ТУ в РЗ и ПА ЛЭП СВН промыш- ленностью выпускается комплекс аппаратуры АНКА-АВПА в двух модификациях, обеспечивающих передачу 4 и 14 сиг- налов. Передача команд осуществляется по высокочастотному каналу связи. Минимальное время передачи одной команды с момента подачи управляющего сигнала на вход передатчика до момента срабатывания выходного реле приемника не пре- вышает 20 мс. Глава пятнадцатая ЗАЩИТА ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ 15.1. ЛИНИИ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ В сетях 110 и отчасти 220 кВ (а ранее в сетях 6-10 кВ) широ- кое распространение получили ЛЭП с ответвлениями, питаю- щими понижающие подстанции (рис. 15.1). Подключение таких подстанций к магистральным ЛЭП может выполняться с вы- ключателями на стороне высшего напряжения (рис. 15.1, а) или по упрощенным схемам - без выключателей (рис. 15.1, б). В последнем случае возможны следующие варианты выполне- ния РЗ и отключения трансформаторов, подключенных на от- ветвлениях, в случае их повреждения: 1) защита трансформаторов осуществляется РЗ магистраль- ной ЛЭП на выключателях линии QA и QB. В этом случае транс- форматор Т подключается к ЛЭП наглухо (рис. 15.1,6); 2) защита трансформатора на ответвлении в распределитель- ных сетях 6-35 кВ выполняется с помощью плавких предохра- нителей П (рис. 15.1, в); 3) на трансформаторе ответвления устанавливается РЗ С от внутренних повреждений, которая действует на включение специального автоматического разъединителя QN, называе- мого короткозамыкателем (рис. 15.1, г). При повреждении в трансформаторе его РЗ включает короткозамыкатель QN, который устраивает КЗ (одно- или двухфазное в сети с изоли- рованной нейтралью), на это КЗ реагирует РЗ магистральной ЛЭП И7}, отключающая выключатели QA и QB. После отклю- чения ЛЭП работает отделитель QR, отключающий поврежден- ный трансформатор, и затем ЛЭП W1 включается в работу дей- ствием АПВ; 4) как и в предыдущем случае, на трансформаторе устанавли- вается РЗ С. При повреждении в трансформаторе она срабаты- 535
Рис. 15.1. Схемы ЛЭП с ответвлениями вает и посылает по специальным каналам команды на отклю- чение выключателей QA и QB ЛЭП питающей подстанцию на ответвлении (рис. 15.1, д). Этот способ позволяет быстрее отключать поврежденный трансформатор и упрощает его си- ловую часть. К его недостаткам следует отнести: дорогой канал связи, усложнение РЗ за счет дополнительной схемы передачи отключающего импульса, возможность повреждения канала, при котором трансформаторы остаются без РЗ. Поэтому данный способ применяется, когда требуется убыстрение действия РЗ трансформаторов, и обычно в сочетании с короткозамыка- телем. Наибольшее распространение на практике получили пер- вые три способа. Подключение ответвлениями применяется как на одиночных, так и на параллельных ЛЭП. В последнем случае трансформаторы, подключенные к разным ЛЭП, рабо- тают раздельно на стороне НН (рис. 15.1, е). При отключении одной из ЛЭП или трансформатора с помощью АВР включает- ся секционный выключатель Q3. 536
Осуществление РЗ ЛЭП с ответвлениями, питающими мощ- ные трансформаторы, и особенно при наличии со стороны от- ветвления источников питания, наталкивается на некоторые трудности в части обеспечения селективности, быстродей- ствия и чувствительности. Защиты линии с ответвлениями оснащаются обычными, рассмотренными выше, линейными защитами. Но при их при- менении необходимо учитывать особенности, обусловленные наличием ответвлений. 15.2. ТОКОВЫЕ И ДИСТАНЦИОННЫЕ РЗ СО СТУПЕНЧАТОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Токовые ступенчатые РЗ, реагирующие на ток фазы. На ли- ниях с ответвлениями такие РЗ устанавливаются на питающих концах ЛЭП (рис. 15.2). Для обеспечения селективности ток срабатывания быстродействующей ступени РЗ (отсечка с t = 0) отстраивается не только от КЗ за пределами защищаемой ЛЭП (точки К1 и К2), но также и от КЗ за трансформатором от- ветвления в точке КЗ (рис. 15.2): 4.3 = ( 1,2-1,3)1ктах, (15.1) где 1ктах - ток КЗ в точке КЗ; этот ток имеет максимальное значение при отключении ЛЭП на противоположном конце. При большой мощности трансформатора ответвления ток 1ктах может оказаться больше, чем ток при КЗ в точках К2 или К1, что приведет к уменьшению зоны отсечки. С учетом конкретных условий может допускаться неселек- тивное действие первой ступени РЗ при КЗ в трансформаторе рис. 15.2. Токовые и дистанционные р3 на ЛЭП с ответвлениями
ответвления, которое должно исправляться с помощью АПВ следующим образом. При КЗ в трансформаторе ЛЭП и транс- форматор отключаются одновременно. Затем после автомати- ческого отключения отделителя (рис. 15.1, г, е) ЛЭП включает- ся от АПВ. Селективность второй и третьей ступеней РЗ на ПС А и В ЛЭП при КЗ на ответвлении обеспечивается согласова- нием выдержек времени этих ступеней РЗ и РЗ трансформато- ра ответвления. Третья ступень РЗ ЛЭП должна резервировать отказ выключателя QC и МТЗ трансформатора ответвления. При маломощных трансформаторах это требование часто не удается осуществить. При наличии питания на ответвлении РЗ ЛЭП следует выполнять направленными. Токи срабатывания МТЗ должны также отстраиваться от бросков намагничивающих токов всех трансформаторов, под- ключенных к ЛЭП, при включении линии от АПВ или вручную и от токов самозапуска электродвигателей, подключенных к этим трансформаторам. Токовые защиты нулевой последовательности. По условию селективности зоны II и III РЗ ЛЭП должны согласовываться с РЗ трансформатора ответвления по времени, а зона I РЗ ЛЭП должна отстраиваться от КЗ за трансформатором, если при этом в ЛЭП АВ появляются токи НП. На чувствительность линей- ных РЗ НП (А и В) оказывает влияние состояние нейтрали трансформаторов, подключенных к ответвлению (рис. 15.2). Если нейтраль не заземлена, ток 3/ок, проходящий в месте КЗ (точка К4), распределяется между концами ЛЭП. При заземлении нейтрали Ми КЗв точке К4 часть тока 31оК замыкается через нейтраль ответвления, вследствие чего то- ки 3/оЛ и 31оВ на концах ЛЭП уменьшаются. Степень уменьше- ния зависит от соотношения параметров сети, ЛЭП и транс- форматора ответвления. Дистанционные защиты (ДЗ). По соображениям селективно- сти первая зона ДЗ отстраивается от КЗ за трансформатором ответвления (точка КЗ на рис. 15.2), а вторая и третья - согла- суются по времени с соответствующими РЗ трансформатора ответвления.
15.3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ Поперечная направленная дифференциальная РЗ может устанавливаться на параллельных ЛЭП с ответвлениями, но при этом необходимо учитывать два обстоятельства: 1) наличие ответвлений нарушает равенство токов в парал- лельных ЛЭП W1 и W2 в нормальном режиме; =# 12 (рис. 15.3, а), при этом в реле появляется ток I-р = Л ” = Л)ТВ 1 — ^ОТВ25 (15.2) 2) при КЗ за трансформатором ответвления РЗ приходит в действие, стремясь отключить ЛЭП с поврежденным ответ- влением, что следует из токораспределения на рис. 15.3, б. Для предупреждения неправильного действия поперечной дифференциальной РЗ в нормальном режиме ее ток срабаты- вания отстраивается от тока небаланса, обусловленного на- грузкой ответвлений: ^с.э = ^otc(^otbi "-^отва)’ (15.3) Для исключения работы РЗ во втором случае, при КЗ на от- ветвлении, необходимо выполнить условие: ^С.З = ^ОТс(^1К (15.4) где 11К и 12К - токи КЗ, проходящие по W1 и W2 в месте установ- ки РЗ при КЗ в точке КЗ за одним из трансформаторов ответ- вления. При наличии источников питания на ответвлениях появля- ется возможность неправильной работы поперечной диффе- ренциальной РЗ при КЗ вне параллельных ЛЭП, в чем можно убедиться из рассмотрения токораспределения в И7! и W2. Исключение этого недостатка возможно только отстройкой тока срабатывания РЗ. Продольная дифференциальная защита. На ЛЭП с ответ- влением эта РЗ может неправильно действовать при КЗ за трансформатором ответвления (в точке КЗ на рис. 15.4). Для исключения неправильной работы РЗ ток срабатывания дифференциальных реле должен быть больше тока в них при КЗ в точке КЗ, т. е. 1сз > Это условие можно выполнить только при маломощном трансформаторе ответвления. 539
Рис. 15.3. Направленная поперечная дифференциальная РЗ параллельных ЛЭП с ответвлениями Рис. 15.4. Продольная дифферен- циальная РЗ на ЛЭП с ответвле- нием В эксплуатации применяются схемы РЗ с блокирующими реле (PC и тока НП), контакты которых, соединенные парал- лельно, включены последовательно с контактом реле продоль- ной дифференциальной защиты. Блокирующие реле, отстро- енные от КЗ за трансформатором ответвления по принципу действия * токовое реле НП (при КЗ за трансформатором то- ки НП в сети высокого напряжения не протекают) или устав- кой срабатывания PC, предотвращают отключение ЛЭП с пи- тающих сторон при повреждении за трансформатором. Устав- ки блокирующих реле должны обеспечивать их надежное сра- батывание при КЗ на защищаемой ЛЭП. 15.4. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЗАЩИТЫ Дифференциально-фазная защита. На ЛЭП с ответвлением ВЧЗ, основанная на сравнении фаз токов 1д и /д по концам ЛЭП (рис. 15.5, а, б), может подействовать неправильно при КЗ в точке КЗ за трансформатором ответвления, поскольку токи повреждения на обоих концах линии направлены от шин под- станций. Неправильное действие РЗ в рассматриваемом случае можно предотвратить двумя способами: 1) отстройкой пусковых реле, 540
Рис. 15.5. Дифференциально-фазная высокочастотная РЗ ДФЗ-201 с двумя полу- комплектами на ЛЭП с ответвлением управляющих цепью отключения РЗ, от КЗ за трансформатором ответвления или применением блокирующих реле, также от- строенных от КЗ за трансформатором; 2) установкой дополни- тельного неполного комплекта ВЧ на ответвлении. Первый способ реализуется так же, как и на ЛЭП, оснащен- ных продольными дифференциальными РЗ. Второй способ применяется, если по условиям чувствитель- ности отстройка пусковых органов РЗ или применение блоки- рующих реле невозможно. В этом случае на ответвлении уста- навливается дополнительный неполный комплект С диффе- ренциально-фазной защиты ДФЗ (рис. 15.6, а), используемый для блокирования ВЧ-передатчика комплектов А и В при повреждениях за трансформатором ответвления (рис. 15.6, а, б и рис. 13.17). При КЗ за трансформатором ответвления ток в ответвлении сдвинут по фазе на 180° относительно токов 7д и /д на концах ЛЭП (рис. 15.6, а). В этих условиях передатчики на концах ЛЭП работают в положительные полупериоды токов 1А и 1д, а передатчик на ответвлении - в отрицательный полупериод этих токов. Ток ВЧ генерируется непрерывно, как и при внешнем КЗ, ДФЗ не ра- ботает (рис. 15.6,6). В случае наличия источников питания со стороны ответвления на последнем устанавливается полный комплект ДФЗ. 541
I Направленные защиты с высокочастотной блокировкой (ВЧЗ). Для обеспечения правильной работы ВЧЗ в общем слу- чае (при наличии питания со стороны ответвления) необходи- мо устанавливать комплекты ВЧЗ с трех сторон ЛЭП: А, В и С (рис. 15.7). При КЗ за трансформатором ответвления в точке КЗ мощ- ность КЗ Sc на ответвлении направлена к шинам, комплект С пускает ВЧ-передатчик, который посылает блокирующие сиг- налы, запрещающие работать комплектам А и В. При КЗ на ЛЭП последняя будет отключаться с трех сторон комплектами РЗ А, В и С. При отсутствии источников питания со стороны ответвления на последнем достаточно установить только ВЧ-передатчик 542
рис. 15.7. Направленная высокочастотная РЗ на ЛЭП с ответвлением Рис. 15.8. Схема цепей постоянного тока полукомплекта высокочастотной РЗ, устанавливаемого на ответвлении без источника питания и пускающие его пусковые реле (рис. 15.8), с тем чтобы комп- лект С блокировал ВЧЗ А и В при КЗ за ответвлением в точ- ке КЗ. Комплект С можно не ставить, если пусковые реле ВЧЗ А и В можно отстроить от КЗ в точке КЗ без ущерба для чувстви- тельности РЗ при повреждении на защищаемой ЛЭП. На многоконцевых ЛЭП 110-330 кВ, не оборудованных устройствами ОАПВ, может применяться панель направленной ВЧЗ типа ПДЭ-2802, которая предназначена для действия на отключение выключателей при всех видах КЗ на защищаемой ЛЭП и для посылки ВЧ-сигнала блокировки на противополож- ные концы ЛЭП при КЗ вне защищаемой зоны. Комплект РЗ, устанавливаемый на ответвлении, осуществляет только пере- дачу блокирующих сигналов при внешних КЗ. Трудно решаемым вопросом на ЛЭП с ответвлениями, имею- щими трансформаторы малой и средней мощности, является резервирование отказа их РЗ или их короткозамыкателя при КЗ за трансформатором ответвления. В ряде энергосистем на ПС ответвлений применяется допол- нительная РЗ, имеющая независимые от остальных защит трансформаторов токовые и оперативные цепи; для резервиро- вания на случай отказа короткозамыкателя предусматривает- ся действие на отключение отделителя, при этом допускается его повреждение. 543
Вопросы для самопроверки 1. Особенности выполнения диффазной защиты на линиях с ответвлениями. 2. Особенности выполнения направленной ВЧ защиты на линиях с ответвлениями. 3. Особенности расчета токовых отсечек на линиях с ответ- влениями. Глава шестнадцатая ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ 16.1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ, ВИДЫ ЗАЩИТ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ Виды повреждений. Основными видами повреждений в трансформаторах и автотрансформаторах являются: замыкания между фазами внутри кожуха трансформатора (трехфазного) и на наружных выводах обмоток; замыкания в обмотках между витками одной фазы (витковые замыкания); замыкания на землю обмоток или их наружных выводов; повреждения маг нитопровода трансформатора, приводящие к появлению мест- ного нагрева и ’’пожару стали”. Опыт показывает, что КЗ на выводах и витковые замыкания в обмотках происходят наибо- лее часто. Междуфазные повреждения внутри трансформато- ров возникают значительно реже. В трехфазных трансформато- рах они хотя и не исключены, но маловероятны вследствие большой прочности междуфазной изоляции. В трансформатор- ных группах, составленных из трех однофазных трансформато- ров, замыкания между обмотками фаз практически невоз- можны. При витковых замыканиях (рис. 16.1) токи, идущие к месту повреждения от источников питания, могут быть небольшими. Чем меньше число замкнувшихся витков wa, тем меньше будет ток 1К, приходящий из сети. Для ограничения размера разрушения РЗ от повреждений в трансформаторе должна действовать быстро (t = 0,05 0,1 с). Защита от повреждений. В качестве таких РЗ применяются токовая отсечка, дифференциальная и газовая защиты. 544
рис. 16.1. Протекание токов при витко- вых КЗ в трансформаторе На трансформаторах мощностью 200 МВ • А и более предусмат- ривается автоматическое пожаротушение водой. Все изложенное далее в равной мере относится к трансфор- маторам и автотрансформаторам. Особенности РЗ автотранс- форматоров будут оговариваться особо. Виды ненормальных режимов. Наиболее частым ненормаль- ным режимом работы трансформаторов является появление в них сверхтоков, т. е. токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора. Сверхтоки в трансформаторе возни- кают при внешних КЗ, качаниях и перегрузках. Последние воз- никают вследствие самозапуска электродвигателей, увеличе- ния нагрузки в результате отключения параллельно работаю- щего трансформатора, автоматического подключения нагруз- ки при действии АВР и т. п. Внешние КЗ. При внешнем КЗ, вызванном повреждением на шинах трансформатора или неотключившимся повреждением на отходящем от шин присоединении, по трансформатору про- ходят токи КЗ 1К > /ном, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. В связи с этим трансформаторы должны иметь РЗ от внешних КЗ, отключающую трансформатор. Защита от внешних КЗ осуществляется при помощи МТЗ, МТЗ с блокировкой минимального напряжения, дистан- ционной РЗ, токовых РЗ нулевой и обратной последователь- ностей. В зону действия РЗ от внешних КЗ должны входить шины подстанций (I участок) и присоединения, отходящие от этих шин (II участок). Эти РЗ являются также резервными от повреждений в трансформаторе. Перегрузка. Время действия РЗ от перегрузки определяется только нагревом изоляции обмоток. Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузку на 5%. В аварийных режи- мах допускается кратковременная перегрузка в следующих пределах: Кратность перегрузки........ 1,3 1,6 1,75 2 3 Допустимое время перегрузки, мин .. 120 45 20 10 1,5 545
Из этих данных видно, что перегрузку порядка (1,5-2) 1НОМ можно допускать в течение значительного времени, измеряе- мого десятками минут. Наиболее часто возникают кратковре- менные, самоликвидирующиеся перегрузки, неопасные для трансформатора ввиду их непродолжительности, например перегрузки, вызванные самозапуском электродвигателей или толчкообразной нагрузкой (электропоезда, подъемники и т. п.). Отключения трансформатора при таких перегрузках не требуется. Более длительные перегрузки, вызванные, напри- мер, автоматическим подключением нагрузки от АВР, отклю- чением параллельно работающего трансформатора и др., могут быть ликвидированы обслуживающим персоналом, который располагает для этого достаточным временем. На подстанциях без дежурного персонала ликвидация длительной перегрузки должна производиться автоматически от РЗ отключением ме- нее ответственных потребителей или перегрузившегося трансформатора. Таким образом, РЗ трансформатора от перегрузки должна действовать на откючение только в том случае, когда пере- грузка не может быть устранена персоналом или автомати- чески. Повышение напряжения. Опасное для трансформаторов по- вышение напряжения возникает в сетях 500-1150 кВ при одно- стороннем отключении длинных ЛЭП с большой емкостной проводимостью. Повышение напряжения вызывает увеличе- ние магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, вследствие чего нарастают ток намагничивания и вихревые токи. Эти токи нагревают обмотки и сердечник трансформато- ра, что может привести к повреждению изоляции обмоток и ’’пожару железа” сердечника. Чем больше уровень напряже- ния, тем меньше время, в течение которого оно допускается. Неполнофазный режим. На автотрансформаторах (АТ) преду- сматриваются РЗ от неполнофазного режима, возникающего при отключении (или включении) не всеми фазами сторон высшего (ВН) или среднего (СН) напряжений. Эта РЗ должна действовать на отключение АТ. Необходимость установки та- кой РЗ обусловлена возможностью отключения в указанном режиме второго, параллельно работающего АТ той же под- станции. Понижение уровня масла в баке трансформатора ниже уров- ня обмоток, что возможно при течи в баке или резком пониже- 546
нии температурь! наружного воздуха, может привести к повреж- дению обмотки. Особенности автотрансформаторов. Автотрансформаторы имеют некоторые особенности, которые нужно учитывать при расчете уставок и выполнении РЗ. На рис. 16.2 представлены схемы понижающего трансформатора и АТ. Последний можно рассматривать как трансформатор, у которого вторичная об- мотка совмещена с первичной АХ (рис. 16.2, б). Распределение токов в АТ и трансформаторе различно. В трансформаторе перичный ток Ц проходит по первичной обмотке и\, а вторич- ный 12 - по вторичной w2. В AT Ij проходит только по части пер- вичной обмотки AT - w2, называемой последова- тельной (обмотка аА). Во вторичной обмотке w2, называемой общей, проходит ток /общ = 12 ~ меньший, чем во вторич- ной обмотке трансформатора на значение тока Д. Вторичным током АТ является 12 = 1Х + 10бщ- Ниже отмечены особенно- сти АТ, имеющие значение для РЗ. 1. В отличие от трансформаторов АТ характеризуются двумя значениями мощности: проходной Snpox, называемой номи- нальной, и расчетной 5расч, называемой также типовой. Про- ходной называется предельная рабочая мощность, передавае- мая с первичной на вторичную сторону трансформатора или АТ: 3Пр0Х = *ЛЛ = U2I2. (16.1) Расчетной называется мощность, по которой рассчитывают- ся параметры обмоток и магнитопровода трансформатора и АТ. Она определяется токами, проходящими по обмоткам, и напряжениями на их зажимах, т. е. 5расч = Ц)бмА>бм- Расчетная мощность общей части обмотки ^общ = ^а(Л - Л), а последовательной части SnocJ1 = (L\ - и2)Л- Сопоставляя оба выражения, можно установить, что 50бщ = 5ПОсл. Это означает, что общая и последовательная обмотки АТ должны рассчиты- ваться по одной и той же расчетной мощности: Spac4=J.(Ui-U2)= = = ^Прох I 1 “ j = Snpox кВыг , (16.2) \ ла / где К& - коэффициент трансформации АТ, равный Ul/U2 =
Рис. 16.2. Токораспределение в обмотках трансформатора (а) и автотрансформа- тора (б) J Рис. 16.3. Повышение напряжения в сети среднего напряжения незаземленного автотрансформатора при КЗ на стороне ВН = Wi/Wz; квыг - коэффициент выгодности, показывающий, во сколько раз Spac4, определяющая размеры АТ, меньше Snpox, номинальной мощности АТ: Трансформатор такой же номинальной мощности рассчиты- вается по Snpox, т. е. по мощности в 1/квыг раз больше, чем АТ. В результате этого размеры магнитопровода и обмоток АТ меньше, чем у трансформатора равной мощности, а ток намаг- ничивания АТ при расчете параметров РЗ определяется по с °расч- 2. В АТ вторичная цепь электрически связана с первич- ной, поэтому* при замыкании на землю одной фазы в сети ВН автотрансформатора потенциал (по отношению к земле) непо- врежденных фаз в сети СН повышается на значение фазного напряжения сети ВН (рис. 16.3). Для предупреждения такого по- вышения напряжений нейтраль АТ должна обязательно за- земляться (рис. 16.3). 3. Трехфазные силовые АТ дополняются третьей обмоткой, соединенной в треугольник (обмотка 3 на рис. 16.3), которая служит для замыкания третьих и кратных трем гармоник маг- нитных потоков и улучшения симметрии напряжений в сети. 548
Дополнительная обмотка 3 имеет магнитную связь с об- мотками АТ 1 и 2. Она выполняется на напряжение 6-35 кВ и используется для подключения потребителей, генераторов и СК. Автотрансформатор с дополнительной обмоткой анало- гичен трехобмоточному трансформатору. При наличии третьей обмотки в некоторых режимах (см. рис. 16.16, в) /общ равен не разности, а сумме + /2. Номинальная мощность третьей обмотки принимается равной расчетной мощности АТ. 16J. ЗАЩИТА ОТ СВЕРХТОКОВ ПРИ ВНЕШНИХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ Защита от внешних КЗ служит для отключения трансформа- тора при КЗ на сборных шинах или на отходящих от них присо- единениях (рис. 16.4), если РЗ или выключатели этих элементов отказали в работе. Одновременно РЗ от внешних КЗ использу- ется и для защиты от повреждения в трансформаторе. Однако Рис, 16.4. Максимальная токовая защита двухобмоточного понижающего транс- форматора: Q - схема токовых цепей с тремя ТТ; б - принципиальная схема оперативных Цепей; в - структурная схема; г - схема токовых цепей с двумя ТТ L
по условиям селективности РЗ от внешних КЗ должна иметь выдержку времени и, следовательно, не может быть быстро- действующей. По этой причине в качестве основной РЗ от по- вреждений в трансформаторах она используется лишь на мало- мощных трансформаторах. На трансформаторах, имеющих специальную РЗ от внутренних повреждений, РЗ от внешних КЗ служит резервом к этой защите на случай ее отказа. Наибо- лее простой РЗ от внешних КЗ является МТЗ. В тех случаях, когда ее чувствительность оказывается недостаточной, при- меняются более чувствительные МТЗ с пуском по напряже- нию, МТЗ ОП и НП, ДЗ. Максимальные токовые защиты трансформаторов. Защита двухобмоточных понижающих трансформаторов [3]. Схема МТЗ трансформатора с односторонним питанием приведена на рис. 16.4. Чттобы включить в зону действия защиты сам транс- форматор, РЗ устанавливается со стороны источника питания и должна действовать на отключение выключателя Q1. То- ковые реле МТЗ включаются на ТТ, установленные у выключа- теля Q2. На рис. 16.4, а приведена схема РЗ трансформатора, выполнен- ная с двумя токовыми реле КА1 и КЛ2, которые, сработав, с выдержкой времени одновременно действуют на отключение выключателей Q1 и Q2. При этом в случае внешних КЗ на сто- роне низшего напряжения (НН) трансформатора отключение выключателя Q2 резервирует действие выключателя Q1. Часто РЗ выполняют с двумя выдержками времени: с первой на отключение выключателя Q1 со стороны НН, а со второй t2 = ti + At на отключение Q2 со стороны ВН. Структурная схема при таком выполнении МТЗ приведена на рис. 16.4, в. В случае неотключенного внешнего КЗ на сто- роне НН МТЗ с выдержкой времени tt отключит выключа- тель 02, трансформатор при этом останется под напряжением со стороны ВН. В случае же повреждения в трансформаторе и отказе его основных быстродействующих РЗ МТЗ с выдержкой времени отключит выключатель Q2 [13]. Токовые реле КА1 и КА2 в схеме МТЗ трансформаторов с ВН 110-220 кВ подключены к ТТ, соединенным в треугольник (рис. 16.4, а). Такое выполнение токовых цепей МТЗ предотвра- щает возможное неселективное ее действие при КЗ на землю в сети 110-220 кВ (в случае когда нейтраль трансформатора заземлена). Защита может действовать при всех видах между- 550
Рис. 16.5. Распределение токов в обмотках трансформатора с соединением обмо- ток y/д при двухфазном КЗ на стороне НН фазных КЗ на сторонах как ВН, так и НН трансформатора со схемой соединения обмоток т/д. При этом, однако по срав- нению с МТЗ, содержащей три токовых реле, подключенных к ТТ, соединенным в полную звезду, имеет место снижение чувствительности на 15% при двухфазном КЗ на стороне НН 6-10 кВ. Сказанное поясняет рис. 16.5. Поскольку коэффици- ент чувствительности МТЗ кч = /р//с.р, где /р - ток в реле при рассматриваемом виде КЗ; /ср - ток срабатывания реле, то можно записать следующее отношение: д/1с (16.4) кч-г/Ь и тре- где кч у и кч д - коэффициенты чувствительности реле при соединении ТТ в схемы полной звезды и треугольника соответ- ственно; 1р у , 1рд и /с р У, 4.рд - токи в реле и токи срабатыва- нния реле при соединении ТТ в схемы полной звезды угольника соответственно. Подставляя в выражение (16.4) д = ЗТк/х/з’Х/; e 2IK/yj3Kj (наибольшее значение тока, протекающего в реле фазы В); /с р Y = 4,3/К}; 4.р д = 4.з Тз/К/, получаем кч у/К К1 'с.з 551
Рис. 16.6. При отключении трансформа- тора Т2 и включении от АВР секцион- ного выключателя возникает перегруз- ка трансформатора Т1 Для трансформаторов со схемой соединения обмоток y/y или д/д и не связанных с сетью с заземленной нейтралью МТЗ выполняется также двумя токовыми реле КА1 и КА2 (рис. 16.4, г), ТТ при этом соединяются в неполную звезду. Подобная схема МТЗ может применяться и на трансформаторах со схемой соединения обмоток т/д. При этом для повышения чувствительности МТЗ к двухфазным КЗ за трансформатором, обмотки которого соединены по схеме y/a (рис. 16.5), устанав- ливается дополнительное реле в обратном проводе токовых це- пей КАЗ (показано пунктиром на рис. 16.4, е-г). Аналогичная схема применяется и на трансформаторах со схемой соедине- ния обмоток треугольник-звезда с заземленной нулевой точ- кой (обычно питающих сеть 0,4 кВ). Выбор уставок. Ток срабатывания МТЗ находится из условия возврата токовых реле при максимальной нагрузке 7pag тах (см. гл. 4): А:.з я ^отс ^с.з п ^раб max ^в • (16.5) Максимальный ток нагрузки с учетом самозапуска, от кото- рого необходимо отстроить МТЗ, обычно определяется из рас- смотрения трех видов нарушения: отключение параллельно ра- ботающего трансформатора, включение трансформатора от АПВ на неотключенную нагрузку, автоматическое подключение на- грузки при действии АВР в случае исчезновения напряжения на соседней секции (рис. 16.6). В двух первых случаях 1С Э оп- ределяется по (16.5). В третьем случае /сз определяется по выражению 552
/с.з ~ ^отсСА раб max + ^с.з п Al раб тах^^в, (16.5а) где А раб max и Ai раб max - максимальные значения токов нагруз- ки секций: I - от которой при действии АВР подается напря- жение и Л-на которую подается напряжение. Коэффициент чувствительности при КЗ в конце защищае- мого участка определяется по формуле кч = (16.6) где IKmin ” минимальное значение тока при КЗ на стороне НН трансформатора; вид КЗ определяется в соответствии с табл. 16.1. Значение кч должно быть не менее 1,5 при выполнении МТЗ функций основной защиты шин и не менее 1,2 при выполнении функций резервирования. Если чувствительность МТЗ оказы- вается неудовлетворительной, то применяются другие, более чувствительные РЗ: ДЗ, МТЗ НП и ОП. Выдержка времени выбирается из условий селектив- ности на ступень выше наибольшей выдержки времени tn РЗ присоединений, питающихся от трансформатора: (т = 1лт01 + At (16.7) Выдержка времени МТЗ с ограниченно зависимой характери- стикой выбирается из условия (16.7) в предположении, что ток в реле равен току КЗ, проходящему через трансформатор в случае повреждения в начале ЛЭП, питаемой трансформато- ром. Защиту с ограниченно зависимой характеристикой следу- ет применять в тех случаях, когда посредством ее удается Таблица 16.1 Схема соединения КЗ обмоток транс- форматора ТТ, к которым подключена МТЗ Y/д Треугольник Двухфазное Y/Y Неполная звезда То же д/д То же у/д Неполная звезда с дополнительным реле в обратном проводе Трехфазное 553
a) Orrj tv fi) Рис. 16.7. Максимальная токовая защита двухобмоточного понижающего транс- форматора с пуском от напряжения: а — токовые цепи; б — цепи напряжения; в — оперативные цепи ускорить отключение повреждения в трансформаторе или на шинах. Максимальная токовая защита с пуском по напряжению (рис. 16.7) обычно выполняется по схеме комбинированного пуска с реле минимального напряжения KV1 и фильтра-реле напряжения ОП KV2. Принцип действия этой схемы, имеющей повышенную чувствительность как при двухфазных, так и при трехфазных КЗ, рассмотрен в § 4.7. Для улучшения чувствитель- ности пуска по напряжению цепи напряжения РЗ обычно пи- таются от TH, установленного с той стороны трансформатора, при повреждении на которой должна действовать рассматри- ваемая РЗ. Первичный ток срабатывания МТЗ с пуском по напряжению определяется по условию отстройки от номинального тока 7НОМ трансформатора: 4.з = 1ти/к„. (16.8) Ток срабатывания реле МТЗ определяется по выражению k.p = (16.9) Уставка срабатывания реле минимального напряжения выбирается исходя из следующих условий: возврата после отключения внешнего КЗ Ц,.Р < (16.10) отстройки от остаточного напряжения самозапуска после 554
действия АПВ или АВР Ь'ср LWOw-KiA (16.11) где Urmn ~ междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после отключения внешнего КЗ, мо- жет быть принято равным (0,9-0,85) 1/ном; 17сэп - междуфазное напряжение в месте установки МТЗ в условиях самозапуска после действия АПВ или АВР заторможенных электродвигате- лей, может быть принято равным 0,71/ном; котс - коэффициент отстройки, равный 1,2; кв - коэффициент возврата, равный 1,2. Уставка срабатывания фильтра-реле напряжения ОП при- нимается У2С.З = °.0«-'ноы. (16.12) Чувствительность определяется для токового реле по вы- ражению (16.6); для реле минимального напряжения по фор- муле кч = ^с.з МЦ max') (16.13) для реле напряжения ОП по формуле = U2min/U2c.3, (16.14) где U3max - первичное значение междуфазного напряжения в месте установки МТЗ при металлическом трехфазном КЗ между фазами в расчетной точке в режиме, обусловливающем максимальное значение этого напряжения; U2mi-n - первичное значение междуфазного напряжения ОП в режиме, обуслов- ливающем наименьшее значение этого напряжения. В соответствии с ПУЭ для реле тока и напряжения необхо- димо обеспечить следующие коэффициенты чувствительно- сти: 1,5 - при выполнении МТЗ функций основной РЗ шин; 1,2 - при выполнении МТЗ функций резервирования. В отдельных случаях на двухобмоточных понижающих транс- форматорах МТЗ с пуском по напряжению устанавливается не только с питающей стороны ВН, но также и на выключате- лях НН. Такое решение принимается, когда для осуществле- ния МТЗ на стороне ВН используется комбинированный пус- ковой орган напряжения, установленный в шкафу КРУ ввода 6-10 кВ. Поскольку при этом в шкафу КРУ устанавливаются 555
и другие реле МТЗ, они также вводятся в действие. Выходные цепи РЗ при этом выполняются следующим образом: МТЗ, установленная со стороны 6-10 кВ, действует на отключение выключателя НН, осуществляя одновременно пуск АПВ это- го выключателя. Защита, установленная на стороне ВН, с вы- держкой времени на ступень селективности большей времени действия МТЗ стороны НН, действует на выходные промежу- точные реле РЗ трансформатора, отключающие оба его выклю- чателя (сторон ВН и НН). На двухобмоточных трансформаторах с расщепленными об- мотками НН (обычно 6-10 кВ) по условию селективности (при КЗ на шинах или ЛЭП НН) в цепи каждой обмотки, питающей соответствующую секцию шин, необходимо устанавливать МТЗ (рис. 16.8) с двумя токовыми реле, подключенными к ТТ, соединенным по схеме неполной звезды. Защиты стороны НН, расположенные в шкафах КРУ выклю- чателей вводов 6-10 кВ, с первой выдержкой времени действу- ют на отключение своих выключателей (Q1 и Q2), а со второй (на ступень селективности большей) - на отключение выключа- теля ВН (Q3). Комбинированные пусковые органы напряжения МТЗ, уста- новленных на ответвлениях к секциям шин 6-10 кВ, использу- ются также в качестве пусковых органов МТЗ, установленных на стороне ВН. Последняя действует на выходные промежу- точные реле РЗ трансформатора с выдержкой времени, рав- ной второй выдержке времени МТЗ ответвлений к секциям шин 6-10 кВ. Таким образом, МТЗ стороны ВН осуществляет резервирование основных РЗ трансформатора и МТЗ стороны НН. Максимальные токовые РЗ могут выполняться без пусково- го органа (ПО) напряжения. В этом случае пусковой орган напряжения исключается из схемы с помощью специальной перемычки между зажимами панели. В случае отключения выключателей НН (Q1 или Q2 на рис. 16.8), поскольку TH соответствующей секции остается без напряжения, контактами реле положения соответствующего выключателя осуществляется: шунтирование контакта ПО на- пряжения МТЗ КА1 или КА2 иля предотвращения ее отказа в случае КЗ между соответствующим ТТ и выключателем; вывод цепи пуска МТЗ ВН КАЗ от соответствующего ПО для предотвращения ее излишнего срабатывания от токов самоза- пуска оставшихся в работе электродвигателей, подключенных к секции НН.
Рис. 16.8. Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН и НН двухобмоточного понижающего трансформатора с расщепленными обмотками Рис. 16.9. Размещение максимальных токовых защит (КА) на сторонах ВН, СН и НН трехобмоточных понижающих трансформаторов с односторонним питанием Предусматривается также автоматическое ускорение МТЗ, установленных на ответвлениях к шинам НН, при включении соответствующего выключателя 6-10 кВ, благодаря чему уско- ряется его отключение в случае подачи напряжения на повреж- денные шины. Ускорение выполняется с выдержкой времени 0,3-0,5 с для отстройки от броска пускового тока [29]. Защита трехобмоточных понижающих трансформаторов. При внешних КЗ РЗ трехобмоточных трансформаторов должна обес- печивать селективное отключение только той обмотки транс- форматора, которая непосредственно питает место поврежде- ния. Так, например, при КЗ на шинах III (рис. 16.9) должен от- ключаться выключатель Q3, обмотки трансформатора I и II должны остаться в работе. На трехобмоточных трансформаторах с односторонним пита- нием (например, от шин Z) на обмотках II и III устанавливаются самостоятельные комплекты МТЗ (КА2 и КАЗ на рис. 16.9), дей- ствующие на соответствующие выключатели. На обмотке I, питающей трансформатор, устанавливается третий комплект МТЗ КА1, предназначенный для отключения трансформатора 557
Рис. 16.10. Оперативные цепи направленной МТЗ СН для трехобмоточного трансформатора с двусторонним питанием при КЗ в нем и резервирования МТЗ и выключателей обмоток II и III. Выдержка времени tx выбирается больше t2 и t3. Токо- вые РЗ на сторонах НН и СН выполняются в двухрелейном исполнении и подключаются к ТТ, соединенным по схеме не- полной звезды. Для увеличения защищаемой зоны КА2 пита- ется от ТТ, встроенных во втулки 35 кВ СН трансформатора. На трехобмоточных трансформаторах, имеющих двух- и трех- стороннее питание, МТЗ не могут обеспечить селективности во всех случаях КЗ. Так, например, на трансформаторах с дву- сторонним питанием (со сторон ВН и СН) при КЗ на шинах СН время действия КА2 t2 должно быть меньше времени дейст- вия KAI tx (рис. 16.9). Однако при соблюдении условия > > t2 КА2 окажется неселективной с КА1 в случае КЗ на ши- нах ВН. Для обеспечения селективности МТЗ в обоих рассматривае- мых случаях МТЗ СН целесообразно выполнить направленной. При этом, как показано на рис. 16.10, в случае КЗ на стороне СН (рис. 16.9) МТЗ действует как направленная через замыкаю- щийся контакт РНМ KW.1 на отключение выключателя Q2 с выдержкой времени t2 < tx. При КЗ на шинах ВН или НН КА2 (рис. 16.9) должна работать помимо РНМ с выдержкой времени КТ2 (рис. 16.10) t2> ti и t3. Таким образом, на трехобмоточных трансформаторах с двух- и трехсторонним питанием для обес- печения селективности необходимо применять НТЗ. Однако, учитывая, что вероятность действия МТЗ транс- форматоров очень мала, на практике в целях упрощения РЗ допускается применение простых МТЗ. Направленная МТЗ устанавливаеся только на особо ответственных трансформато- рах. С целью упрощения допускается не устанавливать МТЗ на одной из сторон трехобмоточного трансформатора, при этом МТЗ выполняют со стороны основного питания с двумя выдерж- ками времени: с меньшей из них эта МТЗ действует на отклю- чение выключателя, не имеющего МТЗ, и с большей - на от- ключение выключателя со стороны основного питания (ВН). 558
Дуговая защита. Описанная выше структура МТЗ двух- и трехобмоточных трансформаторов выполнена с учетом нали- чия в КРУ 6-10 кВ защиты при дуговых замыканиях. Так на- зываемая дуговая защита устанавливается в шкафах КРУ 6-10 кВ. Датчиком этой защиты является клапан, срабатываю- щий при КЗ в шкафу КРУ, сопровождающемся дугой, за счет повышения давления в замкнутом объеме шкафа КРУ. Подоб- ная защита в соответствии с ГОСТ 14693-77 устанавливается в шкафах КРУ, имеющих выключатели. При повреждениях в шкафах КРУ элементов, отходящих от шин НН, дуговая защита действует на отключение выключателя поврежденного эле- мента и трансформатора со стороны НН (последнее с пуском ДПВ). При повреждении в шкафу КРУ выключателя НН транс- форматора указанная защита действует на отключение дан- ного выключателя (с запретом пуска АПВ) и на выходные промежуточные реле РЗ трансформатора, отключающие его со всех сторон. Для исключения ложного действия из-за сра- батывания клапана без КЗ дуговая защита дополняется бло- кировкой, фиксирующей наличие КЗ. В качестве блокировки могут быть использованы, например, токовые реле МТЗ сто- роны НН питающего трансформатора. Благодаря наличию ду- говой защиты обеспечивается быстрое (0,3-0,4 с) отключение КЗ, а следовательно, значительное уменьшение объема по- вреждения. Заметим, что наряду с клапанной дуговой защитой, приме- няется также дуговая защита, реагирующая на световой эф- фект, обусловленный возникновением электрической дуги в шкафу КРУ. Широкое распространение получила также релейная защи- та, реагирующая на КЗ (в том числе и дуговые) внутри ячейки КРУ и отключающая выключатель питающего трансформатора. Токовая защита обратной последовательности реагирует на ток ОП, появляющийся при несимметричных КЗ. Защита состоит из токового реле, включенного через фильтр тока ОП, и реле времени. Ток срабатывания РЗ /2сз выбирается из двух условий: 1) отстройки от тока небаланса ОП при максимальной на- грузке Агс.з ^нб max > (16.15) 559
2) согласования по чувствительности с РЗ присоединений, отходящих от шин, к которым подключен трансформатор: ^ас.з ^2расч’ (16.16) где 12расч ” ток ^2> проходящий по трансформатору в условиях несимметричного КЗ, при котором РЗ рассматриваемого при- соединения находится на грани срабатывания. Анализ показывает, что при Ic>3 = (0,5 - 0,7)1НОМ (1Н0М ~ номи- нальный ток трансформатора) условия (16.15) и (16.16) обычно выполняются. Отсюда следует, что чувствительность токовой РЗ ОП больше, чем МТЗ. На трехобмоточных повышающих трансформаторах, имеющих питание с двух или трех сторон, для обеспечения селективно- сти при несимметричных внешних КЗ необходимо применять направленную РЗ с ОНМ ОП. Поскольку РЗ ОП реагирует только на двух- и однофазные КЗ, она дополняется приставкой от трехфазных КЗ в виде однофазной МТЗ с блокировкой по напряжению. Резервные защиты от внешних междуфазных КЗ на АТ. На трехобмоточных понижающих АТ в качестве резервных защит от внешних междуфазных КЗ применяются: на сторо- не НН - МТЗ с комбинированным пуском напряжения: на сто- роне ВН АТ 220/110/6-10-35 кВ - НТЗ и МТЗ ОП, а также МТЗ с пуском по напряжению от трехфазных КЗ; на сторонах ВН и СН АТ 220/110/6-10-35 кВ и 500/220/10 кВ - ДЗ. Максимальная токовая РЗ с комбинированным пуском на- пряжения на стороне НН АТ присоединяется к ТТ, встроенным в его выводы. С первой выдержкой времени РЗ должна дей- ствовать на отключение выключателя НН, а со второй - на от- ключение всего АТ. Токовая РЗ ОП устанавливается на стороне ВН и питается от ТТ, встроенных во втулки ВН АТ. Релейная защита выполня- ется направленной в сторону ВН в предположении, что выдерж- ки времени резервных РЗ ЛЭП ВН меньше выдержек времени резервных РЗ ЛЭП СН. Как направленная, РЗ действует с пер- вой выдержкой времени, большей выдержек времени резерв- ных РЗ ЛЭП ВН, на отключение шиносоединительного или секционного выключателей (при их наличии), со второй - на отключение выключателя ВН АТ и с третьей - на выходные промежуточные реле АТ. В обход РНМ, как ненаправленная, 560
Рис. 16.11. Согласование выдержек вре- мени резервных РЗ автотрансформа- торов: < ~ ступени выдержки вре- мени РЗ; действие РЗ на отключение: fl - выключателя НН; - выключа- теля СН; - выключателя ВН; - на выходные промежуточные реле РЗ; (V и _ на отключение шиносоеди- нительных выключателей ВН и СН соответственно РЗ действует с первой выдержкой времени - на отключение шиносоединительного и секционного выключателей СН, со второй - на отключение выключателя СН АТ и с третьей - на выходные промежуточные реле РЗ АТ. Направленная токовая РЗ ОП выполняется с использова- нием фильтра-реле тока РТФ-8 и РНМ ОП типа РМОП-2М. При наличии на стороне ВН АТ схемы "мостик" с выключателем в перемычке и отделителями в цепях АТ РЗ выполняется не- направленной. В дополнение к МТЗ ОП для действия при трехфазных КЗ предусматривается МТЗ с пуском минимально- го напряжения в однофазном исполнении. Направленные ДЗ, устанавливаемые на сторонах ВН и СН, включаются таким образом, чтобы защищать ЛЭП ВН и СН со- ответственно. Применение ДЗ более сложных, чем МТЗ, объяс- няется необходимостью обеспечения согласования по селек- тивности РЗ, установленных на противоположных концах ЛЭП, и дальнего резервирования в сетях ВН и СН. На АТ с ВН 220 кВ применяются два варианта включения ДЗ: одноступенчатые выполняются как на стороне СН, так и на ВН; двухступенчатая РЗ - на стороне СН. При этом ДЗ на стороне ВН действует с тремя выдержками времени так же, как НТЗ ОП, и ДЗ на стороне СН (в обоих вариантах) аналогич- но МТЗ ОП в обход РНМ. На АТ с ВН 500 кВ двухступенчатые ДЗ устанавливаются с обеих сторон (ВН и СН) АТ, обеспечивая резервирование РЗ ЛЭП ВН и СН соответственно. Порядок дей- ствия резервных РЗ от междуфазных КЗ на трехобмоточных АТ показан на рис. 16. И. 561
Рис. 16.12. Токовая защита нулевой последовательности повышающего транс- форматора: а - РЗ, включенная на трехтрансформаторный фильтр Iq', б — РЗ, включенная на ток нейтрали трансформатора; в - оперативные цепи; г - схема сети с рас- пределением токов IQ Токовая защита нулевой последовательности реагирует на ток 37О, появляющийся в трансформаторе при внешних КЗ (одно- и двухфазных на землю) и КЗ в трансформаторе. Она применяется на повышающих трансформаторах (а также на АТ) и устанавливается со стороны обмоток ВН и СН, если последние соединены по схеме звезды и работают с глухоза- земленной нулевой точкой. Защита имеет два варианта ис- полнения, показанные на рис. 16.12, а, б. В обоих случаях РЗ состоит из токовых реле КАО, включенных на ток НП 310. В схе- ме на рис. 16.12, а ток 310 поступает от трехтрансформаторно- го фильтра НП, а в схеме на рис. 16.12,6 - от ТТ, включенного в провод, связывающий нейтраль трансформатора с землей. Последняя схема рекомендуется к применению. В схеме име- ется реле времени (рис. 16.12, в). Уставки защиты. Ток срабатывания РЗ по рис. 16.12, б выбирают, исходя из двух условий: селективности с РЗ НП ЛЭП, отходящих от шин электростанции А; надежного действия при однофазных КЗ в конце наиболее длинной ЛЭП. По первому условию ^с.з.т ~ ^отс ' 3/Qpac4i (16.17) где 20расч - ток НП в трансформаторе при однофазных КЗ на 562
рис. 16.13. Направленная токовая зашита нулевой последовательности трехобмоточного повышающего транс- форматора землю в условиях, когда РЗ, с которой производится согласо- вание по чувствительности, находится на грани срабатывания. Как видно из рис. 16.12, г, ток 310т составляет лишь часть тока 37ОЛ, проходящего в ЛЭП: •^с.з.т ~ ^ОТС ^Т-^С.З.ЛО’ (16.18) где ^т = 310Т/7сз<Л0 = З^орасч/^с.з.лст (16.19) По второму условию 1с з т должен быть меньше минималь- ного значения тока 31отт!П, проходящего по нейтрали транс- форматора при КЗ на землю в конце ЛЭП (в точке К на рис. 16.12, г). Согласно ПУЭ при КЗ в конце отходящих ЛЭП коэффициент чувствительности: кч = 310тт1п/1с 3 т > 1,2. Выдержка времени выбирается из условия селектив- ности с РЗ присоединений, отходящих от шин электростанции, со стороны которых установлена рассматриваемая РЗ. Одно- ступенчатая МТЗ НП применяется и на стороне ВН 110-220 кВ понижающих трехобмоточных трансформаторов при наличии питания со стороны СН. Защита предназначена для резервиро- вания отключения КЗ на землю на шинах и ЛЭП 110-220 кВ, а также для резервирования основных РЗ трансформатора. На трехобмоточных трансформаторах (рис. 16.13), имеющих Две обмотки (II и III) с заземленными нейтралями, РЗ НП вы- полняется направленной, что необходимо для обеспечения селективности. 563
Рис. 16.14. Размещение токовых защит нулевой последовательности на авто- трансформаторе Защита АТ. На выполнение РЗ НП влияют особенности АТ, и поэтому она имеет некоторые отличия от РЗ трансформа- торов: 1) у АТ заземляются концы обмоток СН, являющейся общей частью обмотки АТ. Как указывалось, по общей обмотке про- текают встречно направленные токи сторон ВН и СН (см. рис. 16.2). При КЗ на землю в сети одного напряжения (напри- мер, в точке К - рис. 16.14) в заземляющем проводе проходит ток 3/0 = 3/ос - 3/0В. Поскольку этот ток может оказаться недо- статочным, МТЗ НП в заземляющем проводе АТ не устанавли- вается, ее включают на трехтрансформаторный фильтр со сто- роны выводов ВН и СН. При этом она реагирует на 3/ов или 3/ос соответственно; 2) вследствие наличия электрической связи между обмот- ками ВН и СН автотрансформатора КЗ на землю на стороне одного напряжения вызывает токи /0 на стороне другого (рис. 16.14). В связи с этим возникает необходимость согласо- вания выдержек времени МТЗ НП на выводах ВН и СН АТ. Для обеспечения селективности эти РЗ выполняются направ- ленными; 3) для уменьшения выдержек времени рекомендуется МТЗ 564
НП на АТ выполнять направленными двух- и трехступенча- тыми. Защита от внешних КЗ на землю повышающих трансформа- торов, работающих с разземленной нейтралью. Для ограниче- ния токов КЗ часть повышающих трансформаторов работает с разземленной нейтралью. Для таких трансформаторов возни- кает опасность перенапряжений при выделении их на изоли- рованную работу на сеть, имеющую замыкание на землю одной из фаз. Подобные условия могут возникнуть, если, например, при однофазном КЗ на одной из линий (рис. 16.15) ее РЗ или выключатель В откажут в действии. Тогда все присоединения, питающие место КЗ током 10, отключатся резервными РЗ (точки отключения отмечены на чертеже крестиком), а транс- форматор Т2 с незаземленной нейтралью останется работать на выделившийся участок сети с повреждением в точке К. Как известно, в такой сети при замыкании на землю возникают опасные перенапряжения, которые могут повредить изоляцию трансформатора. Для предупреждения этого трансформаторы, работающие с изолированной нейтралью, должны иметь резервную РЗ, отключающую их при замыканиях на землю раньше, чем могут отключиться трансформаторы с заземленными нейтралями. В качестве указанной РЗ может применяться: 1) МТЗ НП, установленная на параллель- но работающих трансформаторах с зазем- ленными нейтралями. Для этого на МТЗ НП трансформатора Т1 с заземленной ней- 1 Г тралью предусматривается несколько вы- Г7| ГД держек времени. С первой, меньшей выдер- । л жкой РЗ отключает трансформатор Т2 с раз- У* земленной нейтралью, со второй выдерж- X кой времени, на ступень большей первой, [j# действует на разделение секций или си- | | стем шин ВН, с третьей - на отключение вы- | ] г/ ЬН W тг Рис. 16.15. К выполнению РЗ от внешних однофазных КЗ повышающих трансформаторов, работающих с изо- лированной нейтралью 565
ключателя ВН защищаемого трансформатора и затем - на вы- ходные промежуточные реле РЗ трансформатора; 2) РЗ, реагирующая на напряжение НП. Эта РЗ выполняет- ся с использованием чувствительного реле напряжения KV0 включенного на разомкнутый треугольник шинного TH. При КЗ на землю это реле приходит в действие и отключает транс- форматор с разземленной нейтралью с выдержкой времени меньшей, чем у МТЗ НП трансформаторов с заземленными нейтралями. Напряжение срабатывания KV0 отстраивается от С/Нб и согласуется по чувствительности с РЗ отходящих ЛЭП. При действии МТЗ трансформатора его РЗ НП автоматически выводится из действия. 16.3. ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Защита от перегрузки трансформатора - на трансформато- рах, находящихся под наблюдением оперативного персонала, РЗ от перегрузки выполняется действующей на сигнал посред- ством одного токового реле. Чтобы избежать излишних сигна- лов при КЗ и кратковременных перегрузках, в схеме РЗ преду- сматривается реле времени, обмотка которого должна быть рассчитана на длительное прохождение тока. Ток срабатывания РЗ от перегрузки выбирается из условия возврата токового реле при номинальном токе транс- форматора: ^с.3 — ^ОТС ^НОМ^^В’ где котс = 1,05. Время действия РЗ выбирается на ступень больше времени защиты трансформатора от внешних КЗ: tn = tP3 + At. На подстанциях без дежурного персонала РЗ от перегрузок выполняется трехступенчатой. Первая ступень работает при малых перегрузках и действует на сигнал, пере- даваемый с помощью телемеханики на пункт управления, с выдержкой времени tn = tp3 + At. Вторая ступень при больших перегрузках, когда требуется быстрая разгрузка, действует на отключение части потребителей, разгружая трансформатор до допустимого значения. Выдержка времени второй ступени t2 < tQOn, где tflon - допустимое время перегрузки, определяе- мое перегрузочной характеристикой трансформатора. Вторую 566
Рис. 16.16. Размещение защит и токораспределение в обмотках автотрансформа- тора при перегрузках: а - в трехфазной схеме при одностороннем питании; б — при одностороннем питании; в — при двустороннем питании ступень желательно выполнять с зависимой от тока характери- стикой, соответствующей перегрузочной характеристике транс- форматора. Третья ступень действует на отключение транс- форматора, если вторая ступень не осуществляет разгрузки. Выдержка времени третьей ступени t3 = (t2 + At) < (доп. На трехобмоточных трансформаторах с одинаковой мощ- ностью обмоток и односторонним питанием РЗ от перегрузки устанавливаются только на питающей обмотке. При неравной мощности обмоток или при двух- и трехстороннем питании трансформаторов следует устанавливать РЗ от перегрузки на всех обмотках. Защита от перегрузки АТ выполняется на основе требований к РЗ трансформаторов с учетом особенностей токораспределе- ния в обмотках АТ и различия номинальных мощностей обмо- ток. Защита от перегрузки должна реагировать на перегрузку последовательной (П), общей (О) и дополнительной (Д) обмо- ток АТ (рис. 16.16, а). Номинальный (допустимый) ток в последовательной обмот- ке (относящейся к ВН) определяется по проходной мощно- сти Snpox, а для общей части обмотки НН (соединенной в тре- угольник) - по расчетной (или типовой) мощности SpaC4 (см. рис. 16.2). Для контроля за перегрузкой обмотки СН (общей) реле РЗ от перегрузки должно устанавливаться в нулевых выводах S67
АТ, по которым протекает 1общ. Перегрузка последовательной обмотки (ВН) и обмотки НН контролируется по токам в выво- дах ВН и НН соответственно. Места установки реле КА РЗ от перегрузки показаны на рис. 16.16, а. Необходимость установ- ки РЗ от перегрузки той или иной обмотки АТ определяется на основе анализа токораспределения при различных режимах его работы. Так, например, при перегрузке обмотки НН в ре- жиме, когда сторона СН отключена, ток на стороне ВН может быть меньше номинального, так как мощность обмотки НН равна 5расч и меньше Snpox, по которой определяется /ном на стороне ВН. Отсюда следует, что на обмотке НН всех АТ необ- ходимо устанавливать РЗ от перегрузки. Рассматривая токораспределение на понижающем АТ, имеющем питание со стороны ВН (рис. 16.16,6), можно сделать вывод, что при перегрузке обмотки ВН токи в обмотках СН и НН могут быть ниже 1НОМ. Следовательно, на АТ, имеющих питание на стороне ВН, необходимо устанавливать РЗ, реаги- рующую на перегрузку этой стороны. Указанная РЗ будет так- же защищать и общую обмотку АТ, так как перегрузка этой обмотки будет сопровождаться перегрузкой обмотки ВН. При работе АТ в режиме передачи электроэнергии со сторон ВН и СН на сторону НН в общей обмотке проходит ток 1общ = = 1в + (рис. 16.16, в). В этих условиях общая обмотка может перегружаться при отсутствии перегрузки в двух обмотках АТ. На АТ, работающих в указанном режиме, необходимо уста- навливать РЗ от перегрузки на нулевых выводах общей обмотки. Такая же РЗ должна предусматриваться на АТ, в которых электроэнергия передается со стороны СН одновременно на ВН и НН. На понижающих АТ при питании со стороны ВН РЗ от перегрузки должна устанавливаться на сторонах ВН и НН. На тех же АТ, имеющих питание и со стороны СН, РЗ устанавли- вается и на нулевых выводах. На повышающих АТ РЗ устанав- ливается на всех трех обмотках. 16.4. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА Токовая отсечка - простая быстродействующая РЗ от повреж- дений в трансформаторе (рис. 16.17). Зона действия отсечки ограничена, она не действует при витковых замыканиях и за- мыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю. Отсечка устанавливается с питаю- 568
рис. 16.17. Принцип действия токовой отсечки шей стороны трансформатора и выпол- няется при помощи мгновенных токо- вых реле РТ-40 или электромагнитного элемента реле РТ-80 (РТ-90), если реле этого типа использованы для выполне- ния МТЗ, либо при помощи микроэлек- тронных токовых ИО. На трансформа- торах в сети с глухозаземленной ней- тралью отсечка устанавливается на трех фазах, а в сети с изолированной нейтралью - на двух. Ток срабатывания отсечки отстраивается от максимального тока КЗ при повреждении за трансформатором (в точке К2): ^с.з “ ^отс 5 (16.20) где /с0ТС - 1,25 + 1,5 (последнее для реле типа РТ-90 и РТ-80). Кроме того, токовая отсечка должна отстраиваться от брос- ка намагничивающего тока /нам: 4.3 ~ ^ОГсДнОМ’ (16.21) где /с0ТС = 3 + 5. В зону действия отсечки входят ошиновка, выводы и часть обмотки трансформатора со стороны питания. Отсечка, являю- щаяся РЗ от внутренних повреждений, должна отключать трансформатор со всех сторон, имеющих источники питания. Достоинством отсечки являются ее простота и быстродейст- вие. Отсечка в сочетании с МТЗ и газовой защитой (рассматри- ваемой ниже) обеспечивает хорошую защиту для трансформа- торов малой мощности. 16.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА Назначение и принцип действия дифференциальной защиты. В качестве основной быстродействующей РЗ трансформаторов от КЗ между фазами, однофазных КЗ на землю и от замыканий витков одной фазы широкое распространение получила диф- 569
Рис. 16.18. Действие диффе- ренциальной защиты транс- форматора: а - внешнее КЗ; б - КЗ в трансформаторе ференциальная РЗ (рис. 16.18). При внешнем КЗ и нагрузке токи/j и 1Ц направлены в одну сторону (рис. 16.18, а) и находятся в определенном соотношении, равном коэффи- циенту трансформации защищаемого трансформатора: I^/It = К?. (16.22) При внешнем КЗ защита не должна действовать, при КЗ в трансформаторе - должна работать. С учетом этого и выполня- ется схема защиты. Трансформаторы тока ТА1 и TAII, питающие схему, устанавливаются с обеих сторон защищаемого транс- форматора. Их вторичные обмотки соединяются разноименны- ми полярностями так, чтобы при внешнем КЗ и нагрузке вто- ричные токи /]в и 7цв были направлены в контуре соединитель- ных проводов последовательно (циркулировали по ним). Диф- ференциальное реле КА включается параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока. При таком соедине- нии в случае внешнего КЗ и при токе нагруз- ки вторичные токи 7[в и 7цв замыкаются по обмотке реле КА и направлены в ней встречно, поэтому ток в реле равен разно- сти вторичных токов: /р=Лв-1цв- (16-23> При КЗ в защищаемом трансформаторе вторич- ные токи 71в и 7J1B проходят по обмотке реле в одном направ- лении (рис. 16.18, б), в результате чего ток в реле равен их 570
сумме: /р=/1в+/11в- (16.24) Если Ip > Ic p, то реле срабатывает и отключает трансфор- матор. Для того чтобы дифференциальная РЗ не работала при на- грузке и внешних КЗ, необходимо уравновесить вторичные то- ки в плечах РЗ так, чтобы ток в реле, равный их разности, от- сутствовал: !Р = /1. -/п, = 0- (16.25) Для этого необходимо, чтобы токи совпадали по модулю и по фазе, т. е. 11В = /11В- <16-26) Особенности дифференциальной защиты трансформаторов и АТ. В дифференциальной РЗ ЛЭП и генераторов первичные токи в начале и конце защищаемого участка одинаковы, по- этому для выполнения условия селективности (16.25) доста- точно иметь равенство коэффициентов трансформации ТТ. Иное положение имеет место в дифференциальной РЗ транс- форматоров. Первичные токи обмоток трансформатора не равны по значению и в общем случае не совпадают по фазе. В режиме нагрузки и внешнего КЗ ток трансформатора на стороне низшего напряжения /ц всегда больше тока на стороне высшего напряжения /р Их соотношение определяется коэф- фициентом трансформации силового трансформатора соглас- но (16.22). В трансформаторе с соединением обмоток звезда-треуголь- ник и треугольник-звезда токи Ij и 1ц различаются не только по значению, но и по фазе. Угол сдвига фаз зависит от группы соединения обмоток трансформатора. При наиболее распро- страненной, одиннадцатой группе линейный ток на стороне треугольника опережает линейный ток со стороны звезды на 30° (рис. 16.19, а). В трансформаторах с соединением обмоток звезда-звезда токи Ц и 7ц совпадают по фазе (рис. 16.19,6). Таким образом, для выполнения условия селективнос- ти (16.25) необходимы специальные меры по выравниванию вторичных токов Ав = А/Кд и Aib - А[/-Кд1 по значению, а при 571
Рис. 16.19. Векторная диаграмма первичных и вторичных токов: а - при соединении обмоток y/д; б - присоединении обмоток y/y разных схемах соединения обмоток (у/д и д/у) - и по фазе с тем, чтобы поступающие в реле токи были равны. Компенсация сдвига токов Jis и /цв по фазе осуществляется соединением в треугольник вторичных обмо- ток ТТ, установленных на стороне звезды силового трансфор- матора (рис. 16.20). Соединение в треугольник обмоток ТТ должно соответствовать соединению в треугольник обмотки силового трансформатора. Трансформаторы тока, расположен- ные на стороне треугольника силового трансформатора, соеди- няются в звезду. На рис. 16.20 изображены векторные диаграммы токов в схеме РЗ при нагрузке и внешних трехфазных КЗ. Векторы первичных и вторичных токов в ТТ и силовом трансформаторе показаны на диаграмме совпадающими по фазе. Из диаграммы следует, что токи /дв(2)> 1вс(2)> /сА(2) в линейных проводах ТТ, соединенных в треугольник, сдвигаются относительно соответ- ствующих фазных токов во вторичной и первичной обмотках ТТ на угол 30°. Токи в проводах второй группы ТТ 1аЬ(2), 1ьс<2} и /са(2; совпадают по фазе со своими первичными токами и поэто- му сдвинуты по отношению к первичному току звезды сило- вого трансформатора, так же как и токи 7дв(2), /вс(2)» JcA(2>> на угол 30°. В результате этого токи, поступающие в реле, совпа- дают по фазе. Соединение одной из групп ТТ в треугольник обеспечивает компенсацию сдвига фаз между вторичными и первичными 572
Рис. 16.20. Токораспределение и векторные диаграммы токов в схеме дифферен- циальной зашиты токами силового трансформатора не только при симметричной нагрузке и трехфазных КЗ, но и при любом несимметричном повреждении или нагрузочном режиме. Справедливость этого положения наиболее просто доказы- вается с помощью метода симметричных составляющих. Токи прямой и обратной последовательностей симметричны, и по- этому токораспределение их в схеме РЗ полностью соответству- ет токораспределению при трехфазном КЗ. Следовательно, соединение одной из групп ТТ в треугольник, а другой - в звез- ду обеспечивает компенсацию сдвига фаз первичных токов прямой и обратной последовательностей. Токи НП появляются при КЗ на землю и могут замыкаться только через обмотку трансформатора, соединенную в звезду, при условии, что ее нулевая точка заземлена. Проходя по этой обмотке, токи НП трансформируются в фазы обмотки, соединенные в треугольник (рис. 16.21). В контуре треуголь- 573
Рис 16.21. Прохождение токов нуле- вой последовательности в схеме дифференциальной защиты ника токи 10 каждой фазы циркулируют, не выходя за его пре- делы. Это означает, что в дифференциальной РЗ трансформа- торов с соединением обмоток звезда-треугольник токи НП про- текают только по ТТ, установленным со стороны звезды сило- вого трансформатора, что может вызвать неправильную рабо- ту РЗ. Эта опасность устраняется тем, что на стороне звезды силового трансформатора ТТ соединяется в треугольник (рис. 16.21). Тогда при внешнем однофазном КЗ токи IQ , транс- формируясь на вторичную сторону ТТ, замыкаются в контуре треугольника, не попадая в реле. Для компенсации сдвига фаз токов силовых трансформато- ров, соединенных по схеме т/а или &/х, необходимо ТТ на сто- роне звезды соединить в треугольник, а на стороне треуголь- ника - в звезду. Выравнивание величин вторичных токов в плечах дифференциальной РЗ достигается подбором коэффициентов трансформации Кц и Куц ТТ дифференциаль- ной РЗ и параметров специально для этой цели установлен- ных уравнительных промежуточных автотрансформаторов (рис. 16.22, а) или промежуточных трансформаторов (рис. 16.22, б). Коэффициенты трансформации ТТ Кц и ХуП выбираются так, чтобы вторичные токи в плечах РЗ были равны согласно (16.26) при нагрузке и внешних КЗ. При соединении обмоток силового трансформатора по схеме звезда-звезда условие (16.26) имеет вид: Ц/Кц = /jj/Kjjj. Отсюда находим, что коэффициенты транс- формации ТТ должны удовлетворять условию Кд/Куц = 1ц/1\ = Кт, (16.27) 574
Рис. 16.22. Выравнивание вторичных токов в схеме дифференциальной защиты; а — с помощью промежуточного автотрансформатора AIL; б - с помощью промежуточного трансформатора TL где Кт - коэффициент трансформации силового трансформа- тора. При соединении обмоток силового трансформатора по схе- ме звезда-треугольник ток в плече, питающемся от ТТ, вклю- ченных в треугольник, равен (11/Кц)у/з', а в плече, питающемся от ТТ, соединенных в звезду: /ц/^ль С Учетом этого уравнение (16.26) имеет вид ь- уЗ ъ? ’ ь- г п ’ (16.28) «Л «Л1 КП Ij уз уз Задаваясь одним из коэффициентов трансформации ТТ, например Кщ, можно найти, пользуясь выражениями (16.27) или (16.28), расчетное значение второго Кд, обеспечивающее равенство вторичных токов в плечах РЗ. Найденный таким образом коэффициент Кд, как правило, получается нестан- дартным. Поэтому используются стандартные ТТ с ближайшим к расчетному значению коэффициентом трансформации, а компенсация оставшегося неравенства осуществляется с по- мощью выравнивающих автотрансформаторов ATL или транс- форматоров TL. В первом случае (рис. 16.22, а) в одном из плеч РЗ устанавливается ATL. Для выравнивания токов в плечах РЗ коэффициент трансформации автотрансформатора Кй под- бирается так, чтобы его вторичный ток /Па был равен току в противоположном плече РЗ: ^Па = Ale/^a = Лв- 575
Отсюда к& = Л1в/*Па = -Гпв/Ав- (16.29) Во втором случае (рис. 16.22, б) применяется выравнивающий трансформатор TL, который состоит из трех первичных обмо- ток. Обмотки wyi и Wy2 (уравнительные) включаются в пле- чи РЗ, а обмотка (рабочая, называемая также дифферен- циальной) - по дифференциальной схеме на разность токов IiB - 1цв. Вторичная обмотка w2 питает дифференциальное ре- ле КА. Число витков уравнительных обмоток подбирается так, чтобы геометрическая сумма магнитодвижущих сил всех трех обмоток в условиях сквозного тока была равна нулю: — JliBwy2 "* (XlB — ^IIb)wa = 0- (16.30) При выполнении этого условия результирующая МДС и магнитный поток Фреэ в магнитопроводе TL отсутствуют, по- этому ток в дифференциальном реле 1р = 0. В рассмотренной схеме неравенство токов плеч компенсируется магнитным способом. Этот способ компенсации удобно сочетается с диф- ференциальным реле, включаемым через быстронасыщаю- щийся трансформатор (БНТ). 16.6. ТОКИ НЕБАЛАНСА В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ Составляющие тока небаланса. При внешних КЗ и нагрузке вследствие нарушения равенства вторичных токов в реле по- является ток небаланса 2нб = йв -211В, (16-31) который может вызвать неправильную работу дифференциаль- ной защиты. Неравенство вторичных токов в плечах РЗ обусловливается: погрешностью ТТ; изменением коэффициента трансформации силового трансформатора при регулировании напряжения; неполной компенсацией неравенства вторичных токов в пле- чах РЗ; наличием намагничивающих токов силового транс- форматора, вносящих искажение в его коэффициент трансфор- 576
мании. Каждая из этих причин порождает свою составляю- щую /нб: 1) составляющую 7нб т?, вызываемую наличием погрешно- стей (токов намагничивания) ТТ, питающих РЗ (см. рис. 16.18). С учетом токов намагничивания разность вторичных токов, проходящих через реле при внешнем КЗ: /р = = (-£- -/!,.□ -(v-'ЛнамГ (16-32) Считая, что неравенство первичных токов по значению и фазе полностью скомпенсировано, получаем, что в (16.32) 1{/Кц С учетом этого /нбТТ = III нам ” Il нам- (16.33) Выражение (16.33) показывает, что ток IHg, обусловленный погрешностью ТТ, равен геометрической разности намагни- чивающих токов ТТ РЗ; 2) составляющую 1Нб.рег> которая появляется при изменении (регулировании) коэффициента трансформации Кт силового трансформатора или автотрансформатора. Компенсация неравенства первичных токов, осуществляе- мая с помощью выравнивающего трансформатора или авто- трансформатора, обеспечивается при определенном соотноше- нии токов обмоток ВН и НН силового трансформатора, опреде- ляемом коэффициентом трансформации К^. При изменении К? компенсация и равенство вторичных токов нарушаются, и в дифференциальном реле появляется ток небаланса 1Нб.рег- Обычно параметры выравнивающих устройств подбираются для среднего рабочего значения К?. При отклонении от него на ± AKj.% появляется ток Atfi.per = jpg Ъкв max > (16.34) где 1скв тах - сквозной ток, протекающий через трансформатор. На повышающих силовых трансформаторах и автотрансфор- маторах предусматриваются ответвления, позволяющие из- менять Кт в пределах ± 5% номинального (среднего) значения. Современные понижающие трансформаторы выпускаются с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) в определен- 577
ном диапазоне. Например, у трансформаторов 110 кВ диапазон регулирования AfQ. = 16%. Регулирование осуществляется из- менением числа витков на стороне высшего напряжения; 3) составляющую небаланса, возникающую при неточной компенсации неравенства токов плеч /нб.комп, которая появ- ляется, когда регулирующие возможности выравнивающих устройств не позволяют подобрать расчетные значения (юу или ка), необходимые для полной компенсации; 4) составляющую, обусловленную наличием тока намагничи- вания у силового трансформатора. Ток намагничивания нару- шает расчетное соотношение между первичным и вторичным токами силового трансформатора, что вытекает из схемы на рис. 16.22, и вызывает ток /нб.нам = ^нам- В нормальном режиме /нам силового трансформатора не пре- вышает 1-5% номинального тока; при КЗ ток намагничивания уменьшается; при неустановившемся режиме, связанном с внезапным увеличением напряжения на трансформаторе, ток намагничивания силового трансформатора резко возрас- тает. В режиме нагрузки и КЗ 1Нб.нам обычно не учитывается. В общем случае полный ток небаланса 4чб — 4<бТТ Д<б.рег 4<б.комп- (16.35) Для упрощения написания составляющих /нб в дальнейшем будем обозначать: /н6ТТ = 1'6, /н6.рег = 1”б, /н6.комп = 1"'6. При таком обозначении получим 4<б = + ^нб + ^нб- (16.36) Причины повышенного значения /нб в дифференциальной РЗ трансформаторов и автотрансформаторов. Значение тока не- баланса в дифференциальной РЗ трансформаторов оказывает- ся обычно большей, чем в дифференциальных РЗ генераторов, что объясняется наличием дополнительных составляющих в токе небаланса (/нб.рег и ^нб.комп) и большим абсолютным значением составляющей /Нбтт, обусловленной погрешнос- тями ТТ. Последнее вызывается тремя особенностями, харак- терными для дифференциальных РЗ трансформаторов. Первая из них состоит в конструктивной разнотипно- сти ТТ, применяемых на разных сторонах силовых трансформа- торов. Эти конструктивные различия порождают различие ха- 578
Рис. 16-23. Условия работы дифференциальной зашиты трехобмоточного трансформатора при внешнем КЗ рактеристик ТТ и их токов намагничи- вания, что приводит к увеличению разности 1ц нам -Ц нам и 416 ТТ- Особенно резко отличаются характеристики ТТ, встраивае- мых во вводы масляных выключателей (напряжением 35 кВ и выше), от характеристик выносных ТТ, применяемых на на- пряжения 10 и 6 кВ. Второй особенностью дифференциальной РЗ трансформа- торов является большое сопротивление нагрузки, присоеди- ненной ко вторичным обмоткам ТТ, и значительное различие сопротивлений плеч, обусловленное различием расстояний до места установки ТТ. Кроме того, нужно учитывать, что сопротивление линейных проводов ложится утроенной нагрузкой на ТТ, соединенные в треугольник, благодаря чему даже при равенстве длин плеч ТТ, соединенные в треугольник, оказываются более загружен- ными, чем вторая группа ТТ, соединяемых в звезду. Третья особенность имеет место у трехобмоточных транс- форматоров, а также у двухобмоточных с двумя выключателя- ми на стороне какой-либо обмотки. В этих случаях кратности токов при внешних КЗ для различных групп ТТ дифференци- альной РЗ получаются неодинаковыми. Через одну группу (ТАШ) протекает суммарный ток КЗ, в то время как через две группы (TAI и ТАГ/) - лишь часть этого тока (рис. 16.23). В результате группа ТТ ТАШ намагничивается сильнее, что вызывает резкое увеличение их намагничивающих токов по сравнению с намагничивающими токами двух других групп. Расчет /нбОнбтт)- Расчетным путем наибольший ток неба- ланса определяется как разность токов намагничивания ТТ дифференциальной РЗ по (10.4), а именно: /„б = /цнам - /iHaM« Для нахождения 1^6тах допускаем, что одна группа ТТ, напри- 579
мер II, работает с предельно допустимой погрешностью = = Al нам ~ (ОД)» а вторая группа работает без погрешности: Анам = °* Очевидно, что в этом случае разность А1нам “ ^нам будет иметь максимальное значение. В соответствии с этим ^нбТТ = ^а^одн • • (16.37) где /содн = 0,5 -J- 1 учитывает различие в погрешности ТТ, обра- зующих дифференциальную схему (при существенном разли- чии условий работы и конструкций ТТ различие их погрешно- стей достигает максимального значения и принимается рав- ным 1, при отсутствии различий принимается равным 0,5); /са - коэффициент, учитывающий увеличение погрешности е в переходном режиме КЗ, принимается равным 1-2. Меры для предупреждения действия защиты от токов не- баланса. Предотвращение работы РЗ от токов небаланса дости- гается выбором тока срабатывания РЗ 1ср > 1н6, а также приме- нением торможения. Для обеспечения достаточной чувствительности РЗ прини- маются меры к понижению значения /к6. Уменьшение А*бТТ обеспечивается подбором ТТ и их вторичной нагрузки по кри- вым предельной кратности или по характеристикам намагни- чивания ТТ так, чтобы погрешность ТТ не превышала 10%. Для повышения чувствительности и отстройки от тока не- баланса в схемах дифференциальной РЗ (см. § 16.9) применяют- ся реле, включаемые через НТТ (см. § 16.8), или реле с тормо- жением от сквозного тока КЗ, или реле, использующие оба принципа. 16.7. ТОКИ НАМАГНИЧИВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ИХ ПОД НАПРЯЖЕНИЕ Характер изменения токов намагничивания. При включении силовых трансформаторов под напряжение или при восстанов- лении на них напряжения после отключения внешнего КЗ в обмотке, питающей трансформатор, возникает резкий бросок тока намагничивания, имеющий затухающий характер (рис. 16.24). Максимальное значение этого тока в несколько раз превосходит значение номинального тока трансформа- 580
рис. 16.24. Характер изменения намаг- ничивающего тока во времени Рис. 16.25. Условия, при которых появляется бросок намагничивающего тока в трансформаторах j пап тора. Резкое возрастание тока намагничивания объясняется насыщением магнитопровода трансформатора. При включении трансформатора под напряжение оно появляется на его об- мотке внезапно. Аналогичная картина имеет место на транс- форматоре после отключения КЗ при восстановлении напря- жения (рис. 16.25). Во время КЗ напряжение на трансформаторе понижается в пределе до нуля (точка А на рис. 16.25, о). После отключения КЗ (точка В) происходит скачкообразное восстановление на- пряжения на зажимах трансформатора. В обоих случаях маг- нитный поток Фт в сердечнике трансформатора установиться сразу не может. Возникает переходный процесс, сопровождаю- щийся появлением двух потоков: установившегося синусои- дального потока Фу и свободного (апериодического), посте- пенного затухающего Фсв (рис. 16.26). Результирующий поток Фт = Фу + Фсв; в начальный момент (t = 0) Фто = 0, и поэтому Фсво - - Фуо. Во втором полупериоде знаки обоих потоков совпа- дают и результирующий поток трансформатора достигает мак- симума Ф7тах- 581
ф Рис. 16.26. Магнитные потоки в сердечнике трансформатора при включении его под напряжение Установившийся поток Фу отстает от напряжения L'T на 90е, поэтому величина свободного потока Фсво, а следовательно, и Фттах зависят от фазы и достигают наибольшего значения при включении трансформатора в момент прохождения £/ через нуль. В этом случае без учета затухания Ф7тах «= 2Фу. Поток Фттах может достигать и больших значений, если маг- нитопровод трансформатора имеет остаточное намагничивание и соответствующий ему поток Фост совпадает по знаку со сво- бодным потоком Фсв. Тогда Фттах = (2Фу + Фост) > 2Фу. При зна- чениях потока, близких к 2Фу, магнитопровод трансформатора насыщается, что и обусловливает резкий рост (бросок) /нам трансформатора. Изменение тока /нам по времени (рис. 16.24) характеризуется следующими особенностями: 1) кривая тока носит асимметричный характер дотех пор, пока не достигнет установившегося значения, наступаю- щего после затухания Фсв; 2) кривая может быть разложена на апериодическую составляющую и синусоидальные токи различных (в ос- новном четных) гармоник. Характерным свойством кривой является большое значение апериодической составляющей и наличие второй гармоники; 3) время затухания токов определяется постоянными вре- мени трансформатора и сети и может достигать 2-3 с. Чем мощ- нее трансформатор, тем дольше продолжается затухание; 4) первоначальный бросок тока может достигать 5-10-крат- ного значения номинального тока трансформатора. Кратность броска тока на мощных трансформаторах меньше, чем на мало- мощных. Ток намагничивания /нам появляется только в одной обмот- ке силового трансформатора, той, на которую подается напря- жение при его включении. Как видно из рис. 16.25, б, этот ток трансформируется через ТТ и поступает в реле, вызывая его ра- 582
боту, если /нам > 1С<3. Для предотвращения ложной работы диф- ференциальной РЗ под действием 1нам принимаются специаль- ные меры, рассмотренные ниже. Способы предотвращения работы защиты от бросков то- ка 1ц&м‘ Используются три способа отстройки от токов намаг- ничивания. Первый из них заключается в применении быстронасыщаю- щихся промежуточных ТТ (НТТ), через которые включаются дифференциальные реле тока. НТТ не пропускает апериоди- ческого тока, составляющего значительную часть тока намаг- ничивания, и позволяет, таким образом, надежно отстроить дифференциальные реле от периодической составляющей на- магничивающих токов (см. § 16.8). Второй способ, примененный в реле типа ДЗТ-21, основан на использовании различия времени бестоковых пауз в дифференциальном реле при броске тока 1нам трансформатора и при токе КЗ (см. рис. 16.24 и 16.39) для блокирования дейст- вия реле в сочетании с торможением второй гармонической составляющей тока намагничивания (отсутствующей в кри- вой тока КЗ). Третий способ состоит в отстройке тока срабатывания реле от тока намагничивания по величине. Такой способ исполь- зуется в дифференциальной отсечке, но он может применять- ся при токе КЗ, превышающем бросок /нам. 16.8. ПРИМЕНЕНИЕ НАСЫЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ОТСТРОЙКИ ОТ ТОКА НЕБАЛАНСА Если представить, что в первичной обмотке НТТ проходит апериодический ток Za = f(t), то на зажимах вторичной обмот- ки НТТ будет наводиться ЭДС Е2 = -(/Ф/dt (рис. 16.27, а, б). За некоторый промежуток времени At изменению тока 1а со- ответствует ничтожное изменение потока Ф; поэтому = = d<J>/dt 0. В результате значение индуцируемой ЭДС Е2 будет ничтожным. Следовательно, ток /п трансформируется на вторичную сторону НТТ значительно лучше. За то же время At (рис. 16.27, б) поток в магнитопроводе изменится на ДФП. Это означает, что скорость изменения магнитного потока dФ/dt, определяющая Е2, при питании НТТ синусоидальным током будет значительно больше, чем при питании его аперио- дическим током. 583
С‘- ”‘~Л1 а-) Рис. 16.27. Характеристики быстронасыщающегося трансформатора (БНТ) Можно считать, что апериодическая составляющая тока небаланса практически не трансформируется во вторичную обмотку НТТ и полностью расходуется на подмагничивание его сердечника. Это приводит к насыщению НТТ и ухудшению трансформации также и периодической составляющей /п тока небаланса (см. § 10.3). Таким образом, в реле попадает только периодическая составляющая /не, уменьшенная за счет насы- щения, обусловленного подмагничиванием сердечника апе- риодическим током. В установившемся режиме, когда апериодическая состав- ляющая в токе намагничивания или небаланса затухает, по- следний трансформируется в реле без существенных искаже- ний по величине и форме кривой. Параметры НТТ выбираются с таким расчетом, чтобы он насыщался при относительно небольших значениях апериоди- ческого тока. Подбором стали магнитопровода НТТ с широкой петлей гистерезиса и значения индукции срабатывания Вс>р, близкой к Внас, можно добиться таких условий, при которых на- чальный ток небаланса, смещенный асимметрично относи- тельно оси времени (рис. 16.27, в), не будет трансформировать- ся через НТТ за счет наличия в нем большой апериодической составляющей. Чтобы обеспечить надежность действия реле 584
Рис. 16-23. Зависимость вторичного тока БНТ от первичного тока с НТТ при КЗ в зоне, вторичный ток НТТ должен быть на 20- 30% больше тока срабатывания реле. За минимальное значе- ние тока КЗ, при котором должна обеспечиваться надежная работа реле, принимается ZKmi-n = 2ZC.P1. Характеристика НТТ ^2нтт = Л-^нтт)» Удовлетворяющая этому условию, показана на рис. 16.28 (при первичном токе НТТ 2Гср1 ток в реле составля- ет 1,31с„2). ЧЭАЗ выпускает реле серии РНТ-560 (рис. 16.29 и 16.30). Для дифференциальной РЗ генераторов и трансформаторов ис- Рис. 16.29. Реле РНТ-565: a — расположение обмоток на магнитопрово- де; б - схема внутренних соединений a) 585
Рис. 16.30. Реле PHT-S66: а — расположение обмоток на магнитопроводе; б — схема внутренних соеди- нений пользуются реле РНТ-565 и РНТ-566, различающиеся выполне- нием первичных обмоток. Реле РНТ-565 состоит из трехстержневого с глубоким насы- щением трансформатора (НТТ) и питающегося от него реле. Трансформатор имеет три первичные обмотки: wp (1), wyl (4t), и>у2 (4г), одну вторичную и>2 (2) и короткозамкнутую обмот- ку wK (5). Обмотки реле РНТ-565 и»р, wyj, wy2 (рис. 16.29,6) включаются в токовые цепи РЗ, обмотка w2 питает реле типа РТ-40/0,2. Ток срабатывания реле регулируется изменением числа витков wpi wyl,wy2. Вспомогательные обмотки wyi и wy2, называемые урав- нительными, предназначены для компенсации неравен- ства вторичных токов и в плечах дифференциальных РЗ трансформаторов. Короткозамкнутая обмотка (3), состоящая из двух секций, предназначена для регулирования степени трансформации во вторичную обмотку периодической составляющей тока. 586
При прохождении по рабочей обмотке БИТ несимметрично- го тока его трансформация во вторичную обмотку как непо- средственная, так и особенно двойная существенно ослабля- ются, благодаря чему ток во вторичной обмотке не достигает значения, равного току срабатывания реле. В схеме реле типа РНТ-566 (рис. 16.30) имеется три рабочих обмотки 1,, 12 и 13, каждая из которых подключается к ТТ од- ной из сторон защищаемого трехобмоточного трансформатора. 16.9. СХЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАШИТ Варианты схем токовых цепей защиты Схемы токовых цепей РЗ на трансформаторах с соединени- ем обмоток y/a обычно выполняются с двумя ТТ, установлен- ными на стороне треугольника силового трансформатора (рис. 16.31), и с двумя реле. В этой схеме вместо провода от- сутствующей фазы В используется нулевой (обратный) про- Рис. 16.31. Упрощенная схема дифференциальной защиты: а - схема; б — векторная диаграмма 587
вод, в котором, как это следует из токораспределения на рис. 16.31, а, проходит геометрическая сумма противоположно направленных токов фаз Л и С, т. е. ток, совпадающий по зна- чению и направлению с током отсутствующей фазы В. Недостатком схемы, приведенной на рис. 16.31, а, является то, что она не действует при двойных замыканиях на землю на стороне НН в тех случаях, когда земля в трансформаторе возникает на фазе, не имеющей ТТ. Это повреждение будет отключаться другими РЗ трансформатора - МТЗ или газовой, или РЗ поврежденной ЛЭП. Этого недостатка лишена трех- фаэная схема (с тремя реле и тремя ТТ) на стороне треугольни- ка силового трансформатора, которая и применяется на транс- форматорах большой и средней мощности. Такая схема, при которой в 2 раза повышается чувствительность РЗ к двухфаз- ным КЗ на стороне звезды, применяется, в частности, на трех- обмоточных трансформаторах и автотрансформаторах. Дифференциальная токовая отсечка Дифференциальная токовая отсечка выполняется с помощью простых токовых реле, действующих на отключение без вы- держки времени. Схема дифференциальной отсечки показана на рис. 16.32. Для облегчения отстройки от мгновенного пика бросков намагничивающих токов на выходе отсечки сле- дует устанавливать проме- жуточное реле со временем действия 0,04-0,06 с. Ток сра- батывания для отстройки от токов намагничивания при- нимается в пределах 1С з = = (3-5)/НОМ1. Рис. 16.32. Дифференциальная отсеч- ка в двухрелейном исполнении 588
Трансформаторы тока должны выбираться по кривым предельной кратности так, чтобы их полная погрешность не превышала 10%. При этих условиях отстройка от тока намагни- чивания одновременно обеспечивает отстройку и от токов не- баланса при внешних КЗ. Из-за большого значения тока срабатывания отсечка недо- статочно чувствительна к витковым замыканиям. Надежность действия отсечки при повреждениях на выводах трансформа- тора с приемной стороны необходимо проверять по току КЗ. Как обычно, чувствительность оценивается коэффициентом! кч - ~ 1,5. Расчет коэффициентов трансформации ТТ и АТ производится по формулам, приведенным в § 16.5. Для вы- равнивания токов используются автотрансформаторы АТ-27. Достоинством отсечки являются простота и быстродействие. Недостатком следует считать ограниченную чувствительность. Дифференциальная отсечка обычно применяется на транс- форматорах малой мощности. Дифференциальная защита с токовыми реле, включенными через НТТ Схема и принцип действия. На рис. 16.33 представлена схема дифференциальной РЗ с реле РНТ-565. Подмагничивающее дей- ствие апериодического тока, появляющегося в первый момент КЗ, приводит к замедлению при повреждении в ее зоне. Про- должительность такого замедления невелика и составляет 0,03-0,1 с. Замедление действия является недостатком схемы с НТТ. Ток срабатывания РЗ должен отстраиваться от переменной составляющей переходных токов намагничивания и небаланса. В результате этого чувствительность РЗ с насыщающимися трансформаторами оказывается выше, чем токовой отсечки. Опыт эксплуатации показывает, что ток срабатывания можно выбирать в пределах (1 - 2)/номл. При этом предполагается, что ТТ подобраны по кривым предельной кратности. Выше отмечалось, что реле РНТ-565 совмещает в себе устрой- ство для выравнивания вторичных токов РЗ и НТТ, питающий реле. Принцип действия этого реле описан в § 16.8. Схема, по- ясняющая его включение, показана на рис. 16.33. Обмотки и w2 образуют насыщающийся трансформатор; первая из них 589
Рис. 16.33. Дифференциальная зашита с реле типа PHT-S65: а — схема защиты и реле РНТ; б — апериодические и периодические магнит- ные потоки в магнитопроводе РНТ при отсутствии короткозамкнутой цепи; в - то же при наличии короткозамкнутой цепи; г — токи /на.м и 416 с небольшой асимметрией. На рис. 16.33, а показаны положительные направления потоков Фр и Фуд
включается по дифференциальной схеме (на разность токов), вторая - питает токовое реле КА (типа РТ-40). Уравнительные обмотки юу включаются в плечи РЗ и служат для уравнивания вторичных токов. В РЗ двухобмоточных трансформаторов ис- пользуется одна обмотка. Число витков уравнительной обмотки регулируется с по- мощью отпаек и подбирается так, чтобы при внешнем КЗ ток в реле, а следовательно, и в обмотке w2 отсутствовал, т. е. 1р - 12 = 0. Для обеспечения этого условия магнитодвижущие силы уравнительной и рабочей обмоток должны уравновеши- ваться согласно выражению (16.30). Ток срабатывания РЗ регулируется изменением числа вит- ков обмотки юр. На магнитопроводе реле РНТ имеется коротко- замкнутая обмотка юк. Она повышает отстройку реле от токов небаланса и бросков намагничивающих токов силового транс- форматора, особенно когда эти токи не полностью сдвинуты относительно нулевой линии. Ток 1р, поступающий в первичную обмотку РНТ wp (рис. 16.33, б), создает магнитодвижущую силу Fp = Ipwp, кото- рая образует в среднем стержне магнитный поток Фр, замыкаю- щийся по крайним стержням 2 и 3 магнитопровода. В общем случае ток 1р состоит из переменной 1р п и апериодической 1р а составляющих: 1р = 1р п + 1р а. Соответственно этому образу- ются две составляющие МДС Fp п и Fp а и два магнитных по- тока Фрп и Фр а. Переменный поток Фр п, замыкаясь по стержню 2, наводит в обмотке ю2, питающей реле КА, ЭДС Е2. Апериодический поток Фр а, медленно изменяющийся во времени, не создает ЭДС в w2 и полностью затрачивается на намагничивание маг- нитопровода. При наличии короткозамкнутой обмотки (рис. 16.33, в) переменная составляющая потока Фрп наводит в витках юк ЭДС Ек и ток 1К. Последний создает МДС FK = ~ Ac WK И FK = Ac WK" Магнитодвижущая сила FK действует навстречу Fp п и почти полностью компенсирует ее. Результирующая МДС Fx = Fp>n - - FK создает остаточный поток Фп < Фр п (где Фр п - магнитный поток при отсутствии короткозамкнутой обмотки). Магнитодви- жущая сила F'K образует поток Ф*, замыкающийся вместе с составляющей потока Фп по стержню 2. Параметры короткозамкнутой обмотки подбирают так, чтобы суммарный магнитный поток в стержне 2 Ф2 = ФП2 + 591
+ Фк2 был меньше потока Фр>П2. Здесь ФП2, Фк и Фрп2 - состав- ляющие магнитных потоков Фп, Фк, Фр>п, замыкающиеся по стержню 2. Короткозамкнутая обмотка уменьшает трансформацию периодической составляющей тока в реле и не влияет на зна- чение и действие апериодической составляющей. Влияние обмотки Wk равноценно уменьшению периодического тока в обмотке wp с /р л до некоторого значения /р п при сохранении неизменной IPia. Изменением сопротивления RK регулируется отстройка реле РНТ от несимметричных токов переходных процессов. Наибольший эффект имеет место при Кк = 0. Выбор параметров защиты: коэффициентов трансформа- ции ТТ, тока срабатывания РЗ и витков рабочей и уравнитель- ных обмоток (рис. 16.33, а). Определяют коэффициенты трансформации ТТ первой и второй групп TAI и ТА11 из условия, что ТТ должны длительно допускать протекание номинальных токов защищае- мого трансформатора или АТ и обеспечивать равенство токов в плечах РЗ согласно (16.25) и (16.26). В схемах Р3,в которых обе группы ТТ (первая и вторая) соединены в звезду и имеют номинальные вторичные токи, равные 5 А, коэффициенты трансформации Кп и К/ц определя- ют по выражениям: к1\ = Атом/5 и К1Ц= 1Н0мЦ/5, (16.38) где Тном I и 4юм11 ~ номинальные токи силового трансформато- ра, отнесенные к напряжению той стороны, где установлены рассматриваемые ТТ. Номинальные токи силовых трансформаторов находят по их номинальной мощности 5Н0м, а АТ - по проходной мощно- сти По расчетным значениям Кп и Kjjj выбирают стандартные ТТ с тем же или ближайшим большим коэффициентом трансфор- мации. В дифференциальных РЗ, у которых одна группа ТТ соединена в треугольник, а вторая - в звезду, коэффициент трансформации второй группы выбирают по (16.38). Для обес- печения равенства токов в плечах РЗ по условию (16.26) расчетный коэффициент Кд принимается в у/31 раз большим по выражению: Кп = /Чом.'5- <16-39’ 592
В соответствии с этим выбирают стандартный ТТ с Kj Кц. Определяют токи в плечах РЗ (/1в и ) при про- хождении по трансформатору сквозного номинального тока. Ток в плече ТТ, соединенных в звезду: /11в = АюмН^П» в ПЛече треугольника: /]в = - "°-1 при этом /НОм1 =^номц/^т. , KJ\ Плечо с большим током называется основным, в дальней- шем будем считать, что основным является плечо I (рис. 16.33, а). Если токи и /цв различаются больше чем на 5%, то предусматривается компенсация их различия с помощью уравнительных обмоток РНТ. Выбирают ток срабатывания РЗ. Он должен быть отстроен от броска /нам защищаемого трансформатора или АТ и от максимального /нб при внешнем КЗ. По первому условию •А.З ~ ^ОТС^НОМ.Т = 1»3/ном.т« (16.40) Для РЗ АТ 1Ном.т определяют по типовой мощности, ?. е. 1с.э = ^отс^выг-^ном АТ- По второму условию ^с.э = ^отс^нб max* (16.41) Расчетное значение IH6max оценивается по (16.35) в предпо- ложении, что составляющая 1нб.комп = 0- Ток срабатывания при- нимается равным большему из двух значений (16.40) и (16.41). По выбранному первичному току срабатывания РЗ находят вторичный ток срабатывания реле: ^с.р =Jc.3Wkj, (16.42) где К/ - коэффициент трансформации ТТ на той стороне защи- щаемого трансформатора, для которой подсчитан /с>р; /сск - коэффициент, учитывающий схему соединения ТТ, при соеди- нении в звезду kCx = 1, ПРИ схеме треугольника kcx = v3. Определяют число витков рабочих обмоток РНТ: а) сначала определяют витки уравнительной обмотки реле (рис. 16.34, в), по которым протекает ток liB основного плеча РЗ (^осн)* Число витков основной обмотки юоси находят из уравнения, 593
Рис. 16.34. Варианты схем включения обмоток реле РНТ-565. На рис. 16.34, е обмотка Wp размыкается и отсоединяется от схемы характеризующего условия срабатывания реле: А:.р woch ~~ ^с.р’ ИЛИ w - F /I (16.43) **OCH ^с.р'-'с.р’ v ' где Fc р - магнитодвижущая сила (МДС), необходимая для сра- батывания реле, для РНТ-565 Fc р = 100 А; б) определяют расчетное число витков обмоток РНТ, по ко- торым проходит ток неосновного плеча. Указанные витки на- ходят из уравнения (16.30) баланса МДС при внешнем КЗ при условии, что по обеим обмоткам защищаемого трансформа- тора проходят равные номинальные мощности: W1I расч - ^Ib»och/7I1b- (16.44) 594
Зная из предыдущего расчета 71в, /11в и w0CH, определяют играем и уст’ Равные ближайшему целому числу витков. Расчет РЗ трехобмоточных трансформаторов ведется аналогично, но в два приема. Сначала считают, что отключена обмотка III (рис. 16.34, г), затем принимают, что отключена обмотка II. Определяют значение тока небаланса /нбК0Мп’ обусловленное неточностью и^уст и wjIyCT: Дсб .комп = (W1 расч ' W] устХк Iznax^^Ipacw + + (WIJ расч ^11уст)^к11 max расч» (16.45) где и>]уст и witycx - принятые к установке числа витков обмоток PHT; IiKmax и 1цктах - токи, протекающие при внешнем КЗ по той стороне силового трансформатора, куда включены обмот- ки и>у1 и и>уц. Сопоставляют фактические значения /сэ и (с учетом /нб.комп)- Если /сл окажется недостаточно отстроенным от /нб, то необходимо затрубить РЗ и провести пересчет параметров. Проверяют чувствительность РЗ при КЗ в ее зоне. В качестве расчетного случая выбирают режим, при котором токи в плечах и результирующая МДС реле оказываются наи- меньшими. При одностороннем питании точки КЗ кч может оцениваться по токам: ^ч = ^стт^сх^сл» (16.46) здесь ксх учитывает схему соединений ТТ на стороне, по кото- рой протекает ток КЗ 1К. В соответствии с ПУЭ допускается кч > 2. При недостаточной чувствительности из-за большого значе- ния тока небаланса приходится применять более сложные реле с торможением. Дифференциальная защита с реле, имеющими торможение В дифференциальных РЗ, установленных на трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой или многообмо- точных трансформаторах с несколькими питающими обмотка- ми, токи небаланса в установившемся режиме имеют значи- 595
Рис. 16.35. Дифференциальная защита с торможением для трансформатора: а — двухобмоточного; б - трехобмоточного тельную величину. Чувствительность дифференциальной РЗ в указанных случаях может быть повышена применением диф- ференциальных реле с торможением. Принцип действия та- ких реле был рассмотрен в гл. 12. Схема и характеристики дифференциальной защиты с тор- можением. Схема РЗ для двух- и трехобмоточного трансформа- торов показана на рис. 16.35. Рабочая обмотка реле включается дифференциально, т. е. на разность токов ТТ, а тормозные - в плечи дифференциальной РЗ с таким расчетом, чтобы в любом случае внешнего КЗ хотя бы одна тормозная обмотка реле об- текалась током сквозного КЗ. При этих условиях ток срабаты- вания РЗ (т. е. ток в рабочей обмотке, необходимый для дей- ствия РЗ) под влиянием тока, протекающего в тормозной обмот- ке реле, возрастает, что повышает надежность отстройки РЗ от появляющихся в этом случае токов небаланса (рис. 16.36). При КЗ в зоне ток повреждения /к, протекающий по тормозным обмоткам, загрубляет реле (увеличивает его /сф) так же, как и в условиях внешнего КЗ, но несмотря на это чув- ствительность тормозного реле оказывается выше, чем у реле с БИТ без торможения, что видно из диаграммы, приведенной на рис. 16.36 (точки а и б). Чувствительность тормозного реле при КЗ в зоне можно повысить, если тормозные обмотки вклю- чать не во все плечи РЗ (как показано на рис. 16.35), а только там, где это необходимо для торможения при внешних КЗ. 596
рис. 16.36. Характеристики реле с торможением и без торможения: 1 - характеристика реле с тор- можением; 2 — характеристика ре- ле с БНТ без торможения; 3 - ток небаланса; 4 — ток в реле при КЗ в зоне Для обеспечения достаточной надежности действия РЗ при повреждениях в зоне и селективности при внешних КЗ коэф- фициент торможения, характеризующий наклон характери- стики реле (рис. 16.36), принимается равным 30-60%, а началь- ный ток /с.ро при /т = 0 выбирается равным 1,5-2 А, т. е. 30-40%. Новочеркасским государственным технологическим универ- ситетом разработано реле с магнитным торможением ДЗТ-11, обеспечивающее отстройку как от бросков /нам, так и от токов небаланса. Реле (рис. 16.37, а) состоит из трехстержне- вого насыщающегося трансформатора 1, питающего обмотку электромагнитного реле 2. Насыщающийся трансформатор имеет, как и обычный НТТ, первичную рабочую обмотку и>р и вторичную обмотку w2i в цепь которой включено дифференци- альное реле. Для осуществления торможения на магнитопро- Рис. 16.37. Реле с магнитным торможением: а - схема включения обмоток реле; б — тормозные характеристики реле ДЗТ-11, ДЗТ-11/2, ДЗТ-П/З, ДЗТ-11/4, ДЗТ-11/5 597
вод насыщающегося трансформатора насажена третья - тор- мозная обмотка wT. Рабочая обмотка включается дифферен- циально, а тормозная - в рассечку плеча токовой цепи РЗ, т. е. так же, как соответствующие обмотки обычного тормозного реле. Тормозная и вторичная обмотки реле состоят из двух секций А и В, расположенных на крайних стержнях магнито- провода. Рабочая обмотка помещена на среднем стержне. Секции ютд и wtb тормозной обмотки соединены так, что создаваемый ими магнитный поток Фт замыкается по крайним стержням. Поток Фт наводит в секциях w2a и w2B вторичной обмотки ЭДС Етд и ETg, которые, однако, взаимно уничтожа- ются, так как они равны по значению и взаимно противополож- ны по направлению. В результате этого ток тормозной обмотки не создает тока в реле и служит только для подмагничивания крайних стержней магнитопровода, насыщая их и ухудшая трансформацию тока из рабочей обмотки во вторичную. Поток Фр, создаваемый рабочей обмоткой, замыкается по крайним стержням и наводит в секциях вторичной обмотки согласно направленные ЭДС, обусловливающие ток в реле. JpWp Поток Фр = ——. Отсюда следует, что ток 1р, необходимый для создания потока Фр, достаточного для действия реле 2, зависит от магнитного сопротивления RM, которое увеличива- ется с насыщением крайних стержней магнитопровода вслед- ствие подмагничивания их током тормозной обмотки. Чем больше ток 1Т, тем больший ток 1р требуется для действия реле (рис. 16.37, б). При отсутствии тормозного тока реле работает как обычное реле с БИТ, но без короткозамкнутых обмоток. Поэтому оно хуже отстраивается от бросков 1нам и апериодической состав- ляющей 1Нб- При внешнем КЗ ток, проходящий по тормозной обмотке, насыщает крайние стержни магнитопровода, в результате чего ток срабатывания реле возрастает, одновременно с этим ухуд- шается трансформация тока небаланса, появляющегося в рабочей обмотке трансформатора. При повреждении в зоне РЗ ток в рабочей обмотке ра- вен или больше тока 1т; в этих условиях, несмотря на подмаг- ничивание магнитопровода, в реле появляется ток, достаточ- ный для его действия. 598
Магнитная индукция при токе срабатывания реле дости- гает значения, при котором начинается насыщение магнито- провода (1,1-1,2Тл), благодаря чему апериодический ток поч- ти не трансформируется во вторичную обмотку, как и в обыч- ном БНТ. Поэтому рассмотренное реле не реагирует на апе- риодическую составляющую, содержащуюся в намагничиваю- щем токе и токе небаланса при неустановившихся режимах. Важнейшими преимуществами реле являются: простота конструкции, наличие тормозной характеристики, относительно небольшая зависимость 7ср от фазы тормозных токов, надежная отстройка от апериодической составляющей токов намагничивания и возможность выполнения реле с тре- мя и более тормозными обмотками. Последнее решает задачу РЗ многообмоточных трансформаторов. Тормозная характеристика каждого конкретного реле рас- полагается между двумя кривыми, приведенными на рис. 16.37, б, в зависимости от угла между тормозным и рабочим токами, а также от схемы питания тормозной обмотки. Дифференциальная РЗ с реле ДЗТ-11, имеющим промежу- точный насыщающийся трансформатор и одну тормозную об- мотку, устанавливается по действующим правилам [3] на по- нижающих двухобмоточных трансформаторах 110-220 кВ, осна- щенных устройством РПН. Защита выполняется в двухрелей- ном исполнении и подключается к ТТ по схеме, приведенной на рис. 16.31. В зону действия дифференциальной РЗ, кроме вы- водов НН трансформатора, попадают также подключенные к ним реакторы 6-10 кВ. Ток срабатывания РЗ выполняется боль- шим 1ном. Коэффициент чувствительности РЗ при КЗ за реакто- ром кч 1,5, а на выводах НН кч 1,5 для трансформаторов мощ- ностью менее 80 МВ . А и кч > 2 для трансформаторов мощностью 80 МВ • А и более. Если необходимый коэффициент чувствительности при КЗ за реактором не обеспечивается, дифференциальная РЗ выпол- няется в виде двух комплектов (с использованием реле типа ДЗТ-11): грубого, действующего без выдержки времени с током срабатывания РЗ 1СЗ > 1НОМ, и чувствительного с выдержкой времени tC3 = (0,5 + 1)с и 1С 3 = (0,75 + 1)7НОМ. ПРИ использовании со стороны ВН ТТ с вторичным током 1 А РЗ должна выполнять- ся с реле типа ДЗТ-П/З [3]. Ниже дан пример расчета дифференциальной токовой защиты двухобмоточного понижающего трансформатора мощ- 599
ностью 25 MB • А с расщепленной обмоткой (рис. 16.38). Расчет ведется в соответствии с § 16.9. Сопротивления защищаемого трансформатора с устройством регулирования напряжения под нагрузкой РПН рассчитаны при двух крайних реально возмож- ных положениях регулятора. Сопротивления указаны в омах и *с гпах *8 0” 110 к в Хст1лг’10м д ТЛ1 £ 300/5 Ю к в а) ТРДН- 25000 US 116^'0.5-10,5«8 и„(‘ РО) -//, 72’/ Рис. 16.38. К примеру расчета дифференциальной защиты трансформатора: а — исходная схема; б — схема замещения; е - схема подключения обмоток ЛЗТ-11 600
приведены к стороне ВН (в расчете использованы крайние по- ложения регулятора). Расчет защиты производится в следующем порядке: 1. Определяют первичные токи на сторонах защищаемого трансформатора, соответствующие его номинальной мощности: пи г 25 000 , . иг. - на стороне ВН /ном1 = -----= 126 А; на стороне НН /ном11 = уЗ • 115 25 000 . = —=------ = 1376 А. \/з • 10,5 2. Выбирают стандартные коэффициенты трансформации трансформаторов тока ТА1 и ТА2 с учетом схем соединения их вторичных обмоток (на стороне ВН - треугольник, на стороне НН - звезда). Приняты Кц = 300/5; К1п- 1000/5. 3. Определяют вторичные токи в плечах защиты с учетом коэффициента схемы ксх: Сторона НН с большим током в плече защиты принята ос- новной. 4. Выбирают ток срабатывания защиты. Расчет ведут по сто- роне ВН, исходя из двух условий: 1) условия отстройки от броска намагничивающего тока (БНТ) 7С,3 = 1,3/ном = 1,3 • 126 = 163,8 А; 2) условия отстройки от максимального значения тока не- баланса при внешнем КЗ (рассматривается трехфазное КЗ в точке при максимальном режиме работы системы и мини- мальном значении сопротивления трансформатора, см. рис. 16.38, а, б). Значение тока при К, 1(ктпг = —тт— ----= 780 А. Макси- 1 К max VT(8 + 73,5) мальный ток небаланса /Нб max предварительно определяют без учета составляющей /ибкомп« 1нб max = ^нбТТ + ^нб.рег = ^одн^аmax + ^^тох’ где /содн = 1 (так как трансформаторы тока ТА1 и ТА2 разнотип- ны); k& = 1 (используются реле с НТТ); £, = 0,1 (10%-ная допусти- мая погрешность ТТ, ранее проверенных по кривым предель- ной кратности при расчетной нагрузке); &U = 0,16 (относитель- 601
ная погрешность, обусловленная регулированием напряжения); 1нбтах = (1 1 - 0,1 + 0,16)780 = 202 А, ^с.з = ^отс^нбгпох = 1,3-202 = 263 А. Из двух условий выбора тока срабатывания защиты принимает- ся наибольшее значение, т. е. 1с,3 = 263 А. 5. Производят предварительную проверку чувствительности защиты при замыкании в зоне защиты - точке К2 (в минималь- ном режиме работы питающей системы и при максимальном сопротивлении трансформатора): Кч = lKmir/k.3 = 385/263 = 1,46 < Кч.дОп = 2. Из расчета следует, что для обеспечения требуемой чувст- вительности необходимо использовать реле с торможением типа ДЗТ-11. Тормозную обмотку следует подключить к ТТ, установленным со стороны НН, что обеспечит отсутствие тор- можения при КЗ в трансформаторе. При этих условиях принятый ток срабатывания защиты дол- жен удовлетворять только первому условию, т. е. 1с 3 = 163,8 А. Тогда К„ = = 2,35. 4 163,8 6. Определяют токи срабатывания реле и число витков об- моток НТТ реле ДЗТ-11 для двух сторон трансформатора; для основной стороны - НН т ^с.зМсх 163,8.115/10,5-1 п 4 1Г Г, ТТ ” ---- ~ ~ ‘ ' ... _ и и / Д. р11 km 1000/5 число витков рабочей обмотки Тс.р 100 , , ,, Wn пагч — ~ — И,13, ирасч 7с.р 8,97 где Гср-МДС срабатывания реле, равная 100 А. В соответствии с внутренней схемой реле (см. рис. 16.38, в) принимается ближайшее меньшее значение используемых витков vvjiyp = 11 (замыкаются гнезда 4 и 7). В рассматриваемом 602
примере дан вариант использования только уравнительных обмоток НТТ. Расчетное число витков для неосновной стороны-ВН иЧрасч = Ю11урА1в/Лв = п • 6,88/3,63 = 20,8. Принимается 21 виток wiyp = 21 (замыкаются гнезда 0 и 21). 1. Определяют число витков тормозной обмотки, для чего предварительно необходимо найти значение расчетного тока небаланса с учетом составляющей /нб.комп, обусловленной округлением расчетного числа витков неосновной стороны: Первичный расчетный ток небаланса с учетом /нб.комп /нб.расч = 202 + 7,5 А = 209,5 А. Число витков тормозной обмотки •^H6.pac4wIpax:4 209,5-20,8 «торм = коте /TopMtga = !>5 780.0,75 По данным реле принимается 11 витков. 8. Производят проверку чувствительности защиты по оконча- тельно принятому току срабатывания. Значение уточненного тока срабатывания защиты (приве- денного к стороне ВН) Л:.рКл wIyp^cxI 100 • 300/5 21 ТЗ1 = 165,2 А. Коэффициент чувствительности t _ 385 — 7 33 > к — 2 лч — 165 2 ~ лч.доп — х- Дифференциальная защита с торможением на время- импульсном принципе отстройки от бросков тока намагничи- вания и тока небаланса. Для РЗ трансформаторов и автотрансформаторов большой мощности дифференциальные защиты с магнитным торможе- 603
Рис. 16.39. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия дифферен- циальной зашиты типа ДЗТ-21: а — выпрямленный рабочий ток в реле при броске тока намагничивания; б - то же при симметричном токе КЗ; в - импульсы и паузы на выходе органа, формирующего импульсы при броске тока намагничивания; г - то же при сим- метричном токе КЗ нием (с реле ДЗТ-11) не обеспечивают требуемой чувствитель- ности и быстродействия. Для таких трансформаторов и АТ раз- работаны и получили распространение РЗ с реле типа ДЗТ-20, которые обладают более высокой чувствительностью (ток срабатывания регулируется в пределах 0,3-0,7/Ном) и имеют независимое торможение от двух групп ТТ (при необходимо- сти обеспечить торможение от трех групп ТТ используется при- ставка дополнительного торможения типа ПТ-1). В реле ДЗТ-21 (ДЗТ-23) для отстройки от бросков намагни- чивающего тока силовых трансформаторов и переходных токов небаланса используется времяимпульсный принцип блокиро- вания РЗ в сочетании с торможением от составляющих второй гармонической [30]. Времяимпульсный принцип основывается на анализе длительности пауз, появляющихся в кривой дифференциаль- ного тока (рис. 16.39, в, г). При апериодическом броске 7нам паузы tn между моментами, когда мгновенные значения |нам превышают ток срабатывания реагирующего органа РЗ (РО), велики (рис. 16.39, а, в). При синусоидальном токе (режим КЗ в защищаемой зоне) паузы между мгновенными значениями выпрямленного тока КЗ, превышающими ток срабатывания РО, малы (рис. 16.39, б, г). Таким образом, оценивая с помощью специальной схемы (см. ниже) продолжительность пауз, РЗ может отличить режим броска (блокировки РЗ) от режима КЗ в зоне. 604
Сочетание в ДЗТ-21 (ДЗТ-23) двух указанных способов позво- ляет обеспечить отстройку РЗ от бросков тока намагничивания при необходимых быстродействии и чувствительности. В РЗ предусмотрено также торможение от фазных токов в двух пле- чах РЗ, улучшающее отстройку от установившихся и переход- ных токов небаланса. При больших кратностях тока в защищае- мой зоне, особенно при наличии апериодической составляю- щей, может наступить насыщение ТТ РЗ. При этом во вторич- ных токах ТТ появляются паузы, которые могут вызвать замед- ление или отказ РЗ. Для обеспечения надежности и быстродей- ствия РЗ в этих режимах в схеме предусмотрена дополнитель- ная отсечка. Реле ДЗТ-21 (ДЗТ-23) выполнено трехфазным в четырехмо- дульной кассете: три фазных модуля (по числу фаз) и четвер- тый общий модуль питания и управления (стабилизатор пита- ния полупроводниковых цепей, выходное промежуточное ре- ле, сигнализация и др.). Однолинейная структурная схема РЗ приведена на рис. 16.40. Она содержит промежуточные автотрансформаторы ТЫ и TL2 для выравнивания вторичных токов; промежуточные транс- форматоры TL3, TL4 и выпрямители VS1, VS2, через которые формируется тормозной ток плечей РЗ, подаваемый к РО; стабилитрон VD, включенный последовательно в тормозную цепь и обеспечивающий при небольших токах работу РЗ без торможения; трансреактор TAV, к вторичным обмоткам кото- 605
Рис. 16.41. Функциональная схема дифференциального реле типа РСТ-15 рого подключено через выпрямитель VS3 реле дифференци- альной отсечки КА и цепь торможения от тока второй гармо- ники; фильтр тока второй гармоники ZF и выпрямитель VS4, через которые подается к РО тормозной ток второй гармоники; устройство формирования, подготавливающее токи смещения, подаваемые в РО, пропорциональные тормозным токам. Реле выполнено на вторичный ток 1ном = 5 А; присоединение к ТТ с вторичным током 1 А осуществляется через АТ тока типа АТ-31 (повышающие). Эти АТ, как и АТ типа АТ-32 (понижаю- щие), используются также для выравнивания токов в пле- чах РЗ, поскольку в реле предусмотрено всего шесть ответвле- ний в цепи рабочей и четыре ответвления в цепи тормозной обмотки, что может обеспечить только грубое выравнивание. Реле для дифференциальной защиты типа РСТ-15. Диффе- ренциальные реле тока серии РСТ-15 (для сетей 50 Гц) и РСТ-16 (для сетей 60 Гц) применяются в качестве измерительных ор- ганов дифференциальной защиты понижающих трансформа- торов и мощных двигателей. Реле выполнены на интеграль- ных микросхемах. В состав реле входят (рис. 16.41): датчик тока - трансреактор ТА V, содержащий три первичных обмотки: основную (дифференциальную), имеющую 30 витков с отводами от 12, 16, 20, 25-го витков и две дополнительные (уравнительные) по три витка в каждой с отводами от 1-го витка; узел формирования реле, состоящий из нагрузочного моста (VD1, VD2, R2, R1); делителя R3, R4 и активного фильтра ниж- них частот (ФНЧ) А1;
узел сравнения, состоящий из компаратора А2 и элемента выдержки времени АЗ с установленным на нем временем 22 мс; узел выхода УВ; узел питания УП. Переключатель К позволяет исключить резистор R5 из схемы делителя. При этом значение выходного сигнала, подаваемо- го на А1, изменяется в отношении 1 : 2. Переключатель К слу- жит для ступенчатого изменения уставки реле по току сраба- тывания в 2 раза. Формы сигналов, образующихся на выходе узла формирова- ния при появлении повышенного дифференциального тока, резко различаются в зависимости от того, является он током КЗ или током включения. Это позволяет получать управляю- щий сигнал на выходе сравнения только при КЗ в зоне защи- ты. Для обеспечения релейного эффекта выход элемента вре- мени АЗ соединен положительной обратной связью с входом компаратора А2. Реле РСТ-15 характеризуется высокой сте- пенью отстройки от переходных токов небаланса, возникающих при включении трансформаторов и двигателей под напряже- ние. Вследствие этого ток срабатывания дифференциальной защиты при использовании реле РСТ-15 можно устанавливать порядка 0,51ном. Ток срабатывания реле может быть установ- лен в пределах (0,4 - 1,2)/ном при К = 1 и (0,8 - 2,4)1НОМ при К = 2. Уставка осуществляется штеккером, помещенным в соответ- ствующее гнездо на лицевой плате реле. Тормозные обмотки в реле РСТ-15 не предусмотрены; при необходимости их использования следует применять комп- лектное устройство РЗ типа ЯРЭ-2201. 16.10. ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ Принцип действия и устройство газового реле. Газовая защи- та получила широкое распространение в качестве весьма чув- ствительной защиты от внутренних повреждений трансформа- торов. Повреждения трансформатора, возникающие внутри его кожуха, сопровождаются электрической дугой или нагре- вом деталей, что приводит к разложению масла и изоляцион- ных материалов и образованию летучих газов. Будучи легче масла, газы поднимаются в расширитель 2, который является самой высокой частью трансформатора (рис. 16.42) и имеет 607
Рис. 16.42. Установка газового реле на трансформаторе: 1 — газовое реле; 2 — расширитель сообщение с атмосферой. При интенсивном газообразовании, имеющем место при значительных повреждениях, бурно рас- ширяющиеся газы создают сильное давление, под влиянием которого масло в кожухе трансформатора приходит в движение, перемещаясь в сторону расширителя. Таким образом, образованиие газов в кожухе трансформато- ра и движение масла в сторону расширителя могут служить признаком повреждения внутри трансформатора. Эти призна- ки используются для выполнения специальной защиты при помощи газовых реле, реагирующих на появление газа и дви- жения масла. Газовое реле 1 устанавливается в трубе, соеди- няющей кожух трансформатора с расширителем так, чтобы че- рез него проходили газ и поток масла, устремляющиеся в рас- ширитель при повреждениях в трансформаторе. В трубе преду- смотрена задвижка, которая закрывает ее автоматически при срабатывании газовой защиты, предотвращая поступление масла из расширителя в бак поврежденного трансформатора (для ограничения пожара в баке). Конструкции газовых реле имеют три разновидности, различающиеся принципом исполнения реагирующих элемен- тов, в виде: поплавка, лопасти, чашки. Устройство поплавкового газового реле показано на рис. 16.43. Реле состоит из чугунного кожуха 1, имеющего вид тройного патрубка с фланцами для соединения с трубкой к расширителю. Внутри кожуха реле расположены два подвиж- ных поплавка 2а и 26, выполненные в виде тонкостенных по- лых цилиндров, герметически запаянных и плавающих в мас- ле. Каждый поплавок свободно вращается на оси, закрепленной на стойке. На торце поплавков располагаются ртутные контак- ты 3, представляющие собой стеклянные колбочки с впаян- ными в них контактами и ртутью внутри. При определенном 608
Рис. 16.43. Устройство поплавкового газового реле Рис. 16.44. Схема выходных цепей газовой зашиты I положении поплавков ртуть замыкает контакты. Выводы от 1 контактов на наружную сторону кожуха выполнены с помощью ' гибких и изолированных проводников. Контакты верхнего по- । плавка действуют на сигнал, а нижнего - на отключение транс- | форматора. Кожух реле находится ниже уровня масла в расши- рителе, поэтому он всегда заполнен маслом. Поплавки, стре- I мясь всплыть, занимают верхнее положение, их контакты р разомкнуты. j При небольших повреждениях образование газа происходит медленно, и он небольшими пузырьками поднима- ется к расширителю. Проходя через реле, пузырьки газа запол- няют верхнюю часть его кожуха, вытесняя оттуда масло. По мере понижения уровня масла верхний контакт опускается и через некоторое время замыкается. Если повреждение трансформатора значительное, то под влиянием давления, создаваемого бурно образующимися га- зами, масло приходит в движение, сообщая толчок нижнему поплавку. Под его воздействием поплавок мгновенно замы- кает свои контакты, посылая импульс на отключение. По- скольку в схемах управления выключателями предусмотрено удерживание отключающих сигналов, даже кратковременного замыкания контактов газового реле оказывается достаточно для надежного отключения выключателя. Однако для обес- печения надежного пуска УРОВ предусмотрено самоудержи- । вание выходных промежуточных реле (рис. 16.44). 609
Рис. 16.45. Устройство газовых реле; а — лопастного; б - с чашкообразными элементами; at 1 — лопасть; 2 — рамка; 3 — ось лопасти; 4 - ось рамки; 5 - стойка; 6 — отверстие для изменения наклона лопасти; 7 — штифт для фиксации положения лопасти; 8 — сигнальный попла- вок; 9 — ртутные контакты; 10 - коробка для выводов Сигнализация о небольших повреждениях вместо отключе- ния позволяет дежурному персоналу перевести нагрузку на другой источник питания и отключить после этого трансфор- матор. Газовая защита реагирует также на понижение уровня масла в трансформаторе. В этом случае первым сработает сигнальный контакт, а затем при продолжающемся снижении уровня мас- ла срабатывает отключающий контакт, выключая трансфор- матор. Лопастные реле (рис. 16.45, а). Сигнальный элемент этого реле выполнен в виде поплавка, как и у реле на рис. 16.43. Нижний отключающий элемент выполняется в виде поворотной лопа- сти 1 или состоит из поплавка и лопасти. При движении масла или потока газов попасть поворачивается на некоторый угол под воздействием силы, создаваемой движущимся потоком; при этом связанные с лопастью ртутные контакты 9 замыкаются, подавая импульс на отключение. Изменяя начальный угол на- клона лопасти 1, можно регулировать чувствительность реле, 610
т. е. изменять скорость движения масла, при которой срабаты- вает лопасть реле. Нижний поплавок закрыт от воздействия движущегося масла и газа лопастью и предназначен для рабо- ты при снижении уровня масла. В конструкции на рис. 16.45, а нижнего поплавка нет. В этом реле на понижение уровня масла реагирует только сигнальный элемент. При таком исполнении исключается ложное действие отключающего элемента реле из-за нарушения герметичности поплавка и попадания в него масла, но при этом ухудшаются защитные свойства реле. Реле с чашкообразными элементами. Сигнальный и отклю- чающий элементы реле представляют собой открытые плоско- донные алюминиевые чашки 1 и 2 (рис. 16.45, б). Каждая чаш- ка закреплена на оси 3 и может вращаться вокруг нее. С корпу- сом чашки связаны подвижные контакты 5 на нижнем и 4 на верхнем элементе. При опускании чашки подвижные контакты замыкаются с неподвижными 7 или 6. Движению чашек на за- мыкание контактов противодействуют пружины 8 и 9, тяну- щие чашки вверх. Для ограничения движения чашек под дей- ствием пружины предусмотрены упоры 10 и 11. На нижней чашке 2 имеется лопасть 12, вращающаяся на оси. Если в ко- жухе реле и в чашках нет масла, то момент пружины прео- долевает рабочий момент Мраб, создаваемый весом корпуса чашки. В этом случае Мп > и контакты обоих элементов разомкнуты. Если кожух реле, а следовательно, и чашки за- полнены маслом, то за счет потери веса тела, погруженного в жидкость, Мраб уменьшается, и момент пружин Мп еще более превосходит Мраб. При понижении уровня масла момент Mpag увеличивается за счет веса находящегося в чашке масла, сум- марная сила веса чашки и масла F4 + FM преодолевает противо- действие пружины (Мраб > Мп), чашка опускается и замыкает свои контакты. При бурном газообразовании под действием силы, созданной потоком масла или газов, лопасть 12 повора- чивается и замыкает контакты 4-7. Запорожский трансформаторный завод выпускал реле с чашечковыми элементами типа РГЧЗ-66. Чувствительность нижнего элемента (лопасти) регулируется в пределах от 0,6 до 1,2 м/с. Время действия реле при работе лопасти колеблет- ся от 0,5 до 0,05 с. Большое распространение в последние годы получили газо- вые реле, изготовленные в Германии: реле Бухгольца (типа BE-80Q) и струйные реле (типа URF 25/10). 611 4
Рис. 16.46. Газовое реле типа BF80/Q Реле BF80/Q (рис. 16.46) имеет сигнальный и два отключаю- щих элемента. Сигнальный элемент управляется шарообраз- ным пластмассовым поплавком 1. Отключающий элемент, кроме такого же поплавка 3, содержит пластину 2, установлен- ную поперек потока масла и маслогазовой смеси. Контактная система сигнального и отключающего элементов выполнена при помощи магнитоуправляемых герконов, замыкание кото- рых происходит при воздействии на них постоянных магнитов, перемещаемых поплавками и поворотной пластиной. В от- ключающем элементе постоянный магнит можно установить в одном из трех положений, соответствующих уставкам скоро- сти срабатывания 0,65-1-1,5 м/с. Время срабатывания реле за- висит от кратности действительной скорости потока масла по отношению к уставке. При кратности 1,25 время срабатывания не превышает 0,15 с; при кратности 1,5 - не более 0,1 с. На трансформаторе с регулированием под нагрузкой коэф- фициента трансформации (РПН) для защиты устройства РПН от повреждений внутри его бака применяется газовое реле типа URF 25/10, называемое струйным. Эти реле имеют один отключающий элемент, реагирующим органом которого явля- ется поворотная пластина, установленная поперек потока мас- логазовой смеси, как и у реле типа BF80/Q; поворотная плас- тина при срабатывании реле перемещает постоянный магнит, который переключает геркон. При срабатывании реле поворот- ная пластина фиксируется в сработавшем положении до воз- врата вручную, для чего предусмотрено устройство, которое служит также для опробования работоспособности реле. 612
Особенности газовой защиты По своему принципу действия газовая защита может рабо- тать не только при повреждениях и опасных ненормальных ре- жимах, но и при появлении в кожухе трансформатора воздуха, при толчках (движении) масла, вызванных любой причиной, и механических сотрясениях, имеющих место вследствие виб- рации корпуса трансформатора. Для предупреждения неправильного отключения трансфор- матора отключающая цепь защиты при доливке масла перево- дится на сигнал. Для предотвращения ложного срабатывания нижнего по- плавка газового реле от толчков масла принято регулировать его на скорость движения масла 50-160 см/с. Требования к монтажу защит. На трансформаторах, снаб- женных газовым реле, бак (кожух) трансформатора должен устанавливаться наклонно, чтобы край трансформатора, свя- занный с расширителем, и сама труба к расширителю имели подъем на 1,5-2% (см. рис. 16.42). Этим обеспечивается беспре- пятственный проход газов в расширитель при повреждениях и предотвращается возможность скопления пузырьков возду- ха под крышкой кожуха трансформатора, которое может по- влечь за собой ложное действие защиты. На открытых ПС следует обеспечить надежную защиту вы- водов на крышке газовых реле от попадания на них влаги. Выводы от контактов газового реле можно выполнять только кабелем с бумажной изоляцией. Оценка газовой защиты. Основными достоинствами газо- вой защиты являются: простота ее устройства, высокая чув- ствительность, малое время действия при значительных по- вреждениях, действие на сигнал или отключение в зависимо- сти от размеров повреждения. Газовая защита является наи- более чувствительной защитой трансформатора от повреждения его обмоток и особенно при витковых замыканиях. Все масля- ные трансформаторы мощностью 1000 кВ А и выше поставляют- ся вместе с газовой защитой. Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защи- той от внутренних повреждений. Для маломощных трансформа- торов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощ- 613 к
ных трансформаторов применяется более совершенная диф- ференциальная РЗ. Газовая защита применяется также на маслонаполненных реакторах и дугогасящих катушках. 16.11. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ, НЕ ИМЕЮЩИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА СТОРОНЕ ВЫСШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Основные принципы выполнения РЗ на ЛЭП с ответвления- ми, трансформаторы которых подключены к ЛЭП без выключа- телей, рассмотрены в гл. 15. Широкое распространение получи- ли схемы с короткозамыкателями и отделителями. При этом важной частью РЗ трансформаторов является схема действия на короткозамыкатель и отделитель. Как уже отмечалось, действие РЗ на короткозамыкатель и отделитель должно происходить в определенной последова- тельности, обеспечивающей работу отделителя в бестоковую паузу АПВ ЛЭП, т. е. в тот момент, когда по отделителю не проходит ток. Схема управления отделителя выполняется та- ким образом, чтобы импульс на его отключение подавался после срабатывания короткозамыкателя при условии, что пи- тающая ЛЭП отключилась и ток КЗ прекратился. На рис. 16.47 показана упрощенная одно- линейная схема, удовлетво- ряющая поставленным ус- ловиям. Защита трансформатора при срабатывании подает импульс в катушку включе- ния YAC (КВ) привода ко- роткозамыкателя QK. Рис. 16.47. Упрощенная схема от- ключения трансформатора без вы- ключателя на стороне ВН 614
Импульс на отключение отделителя QR в его катушку YAT (КО) подается контактами реле времени КТ. Реле КТ пус- кается при замыкании вспомогательного контакта коротко- замыкателя и контакта токового реле КА. Первые контак- ты (QK) замыкаются при замыкании ножа короткозамыкателя, а вторые (контакты КА) - при отсутствии тока в реле. Таким образом, отключение отделителя может произойти только при срабатывании короткозамыкателя и отключении линии. Однако если вспомогательные контакты QK замкнутся раньше, чем сработает нож короткозамыкателя, то, поскольку контакты КА при этом будут еще замкнуты, возможна подача импульса на отключение отделителя до отключения линий. Для предотвращения такой опасности служит реле времени КТ. Оно должно работать с выдержкой времени порядка 0,2-0,3 с, превосходящей возможную разновременность замыкания но- жа и вспомогательных контактов короткозамыкателя. Чтобы обеспечить срабатывание отделителя во время бестоковой паузы, когда питающая линия отключена и подстанция остается без напряжения, оперативная цепь от- делителя должна питаться от независимого источника. Таким источником может служить аккумуляторная батарея или предварительно заряженный конденсатор. Рассмотренная схема (рис. 16.47) является универсальной и может применяться при наличии на линии как быстродей- ствующей защиты, так и защиты с выдержкой времени. В обоих случаях на линии применяется однократное АПВ, при этом время АПВ должно быть больше времени включения коротко- замыкателя и отключения отделителя, чтобы за время бес- токовой паузы поврежденный трансформатор успел отклю- читься. На рис. 16.48 представлена более подробно принципиальная схема управления короткозамыкателем и отделителем на постоянном оперативном токе. Отключение отделителя производится контактами проме- жуточного реле KL1 при условии срабатывания следующих реле: выходного промежуточного реле РЗ трансформато- ра KL3.1, фиксирующего его повреждение; реле, контролирую- щих факт отключения ЛЭП с питающих сторон (реле тока - трехфазного КА1 в цепи выводов ВН трансформатора и КА2 615
Рис. 16.48. Принципиальная схема отключения отделителя 110—220 кВ: а — поясняющая схема; б — цепи переменного тока и напряжения; в — цепи оперативного постоянного тока отключения отделителя 110 кВ с трехфазным приводом; г — цепи оперативного постоянного тока отключения отделителя 220 кВ с пофазным приводом; I (III) — в цепи пуска АПВ выключателя ПО (220) кВ в схеме ’’мостик” с выключателем в перемычке и с отделителями в цепях трансформаторов (автотрансформаторов); II, IV - в цепь подведения ”+” к газовым защитам трансформатора 616
в цепи короткозамыкателя); реле напряжения KV1 и KV2, подключенных к TH выводов НН трансформатора TV1. Выходное промежуточное реле РЗ трансформатора в рассмат- риваемом случае самоудерживается для обеспечения отклю- чения отделителя после отключения питающей ЛЭП, когда РЗ, подействовавшая на отключение трансформатора, может вернуться в исходное положение. Снятие самоудерживания выходных промежуточных реле РЗ трансформатора осуществ- ляется контактом реле положения ’’включено” KQC1 отдели- теля. Благодаря наличию токового реле КА.1 предотвращается воз- можность неправильного действия схемы (отключения отде- лителя под током), которое могло бы иметь место при трехфаз- ном КЗ в трансформаторе, сопровождающемся снижением на- напряжения ниже уставки срабатывания реле KV1 и KV2. Реле КА.1 принято трехфазным, а не однофазным для предот- вращения отключения отделителя под током, которое может иметь место при указанном трехфазном КЗ из-за разновремен- ности отключения фаз выключателя на питающем конце ЛЭП или отказе в отключении одной или двух фаз этого выключа- теля. Уставка реле КА1 принимается минимальной. Токовое реле КА2, установленное в цепи короткозамыкателя QKlb используется при установке на питающей ЛЭП выключателя с пофазным приводом. Благодаря наличию этого реле предот- вращается отключение отделителя под током при отказе той фазы выключателя, питающей ЛЭП, на которой установлен короткозамыкатель. Реле напряжения KV1 и KV2, уставка срабатывания которых принимается минимальной (около 15 В), включены на между- фазные напряжения и предотвращают отключение отделителя под током до отключения питающей ЛЭП в случае, если по- вреждение трансформатора сопровождается токами, меньши- ми уставки срабатывания реле КА1 (например, при действии газовой защиты). В схеме предусмотрен замыкающий вспомогательный кон- такт SF1 автоматического выключателя, установленного на стороне НН TV1. Указанное принято в целях предотвращения отключения отделителя под током в случае срабатывания ав- томатического выключателя и последующего повреждения трансформатора, сопровождающегося током повреждения меньшими уставками КА1. 617
Накладка SX1 предусмотрена для выведения схемы из действия при появлении сигнала о неисправности в цепях на- пряжения. Схема, приведенная на рис. 16.48, может быть использована на ЛЭП 110-220 кВ, оснащенных двукратным АПВ. При этом в случае повреждения трансформатора отключение отделите- ля может осуществляться в бестоковую паузу первого цикла АПВ (когда отключению не препятствует подпитка от син- хронных электродвигателей) или второго цикла АПВ после отключения указанных электродвигателей. 16.12. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ СОБСТВЕННЫХ НУЖД АЭС Рабочие трансформаторы собственных нужд (ТСН) АЭС, питающие сеть собственных нужд 6,3 кВ, подключаются от- ветвлениями к энергоблокам между генераторным выключа- телем (выключателем нагрузки) и трансформатором блоков. Резервные ТСН с низшим напряжением 6,3 кВ присоединяются либо к шинам 110-330 кВ, которые имеют связь с энергосисте- мой, либо к третичной обмотке АТ связи 750/330 кВ, либо к ЛЭП 110-330 кВ, питающейся от других электростанций или подстанций энергосистемы. Функциональная упрощенная схема защиты рабочего ТСН представлена на рис. 16.49 [38, 39]. Рабочие ТСН имеют соединение обмоток д/д/д с двумя расщепленными обмотками на стороне НН. На этих ТСН уста- навливаются следующие РЗ, действующие на полное отклю- чение энергоблока: газовая; дифференциальная в трехфазном трехрелейном исполнении с реле типа ДЗТ-21, что обеспечивает ее надежное действие при двойных замыканиях на землю; дистанционная защита стороны ВН, которая используется для ближнего резервирования при многофазных КЗ в ТСН, а также для дальнего резервирования при КЗ на секциях 6,3 кВ. Дистанционная защита выполняется с помощью двух комп- лектов реле сопротивления РС1 и РС2, на каждый из которых подаются цепи напряжения от TH (TV1 и TV2), установленных до выключателей вводов 6,3 кВ. По токовым цепям каждый комплект реле сопротивления включен на разность фазных 618
Рис. 16.49. Функциональная упрощенная схема защиты ТСН токов. Благодаря наличию двух комплектов PC, подключен- ных к TV1 и TV2, обеспечивается селективное срабатывание РЗ при КЗ на любой из двух секций (А и В). Для предотвраще- ния ложного срабатывания ДЗ при неисправности цепей напря- жения она дополнена токовой блокировкой, выполненной с помощью двух токовых реле КА§п, включенных на токи фаз А и С стороны ВН ТСН. 619
Для повышения надежности оперативные цепи основных и резервной защит рабочих ТСН подключены к разным автома- тическим выключателям и имеют разные выходные реле, что обеспечивает сохранение в работе части РЗ при неисправно- стях в сети постоянного оперативного тока. Для защиты секций 6,3 кВ используются ДЗ, установленные на выводах рабочего питания секций 6,3 кВ. Так же как и ДЗ ВН, защита оснащена токовой блокировкой КА^Л. Для селективного отключения КЗ на секциях СН 6 кВ А и В должны быть предусмотрены ДЗ в цепи каждой обмотки ТСН. На рис. 16.49 эта защита показана для одной секции (В). На каждом вводе НН устанавливается также защита от пере- грузки КАпер, действующая на сигнал или на отключение. Защита выполняется токовым реле и одним реле времени. Так как ТСН подключен к блоку генератор-трансформатор без выключателя, то все его защиты от внутренних поврежде- ний и внешних КЗ должны действовать на отключение блока. В цепи магистрали резервного питания (МРП) также уста- навливается дистанционная защита с блокировкой по току, действующая на реле времени по схеме И. Вопросы для самопроверки 1. От каких видов повреждений и ненормальных режимов следует предусматривать защиты трансформатора? 2. Каковы причины возникновения токов небаланса в диф- ференциальной защите трансформатора? 3. Как выполняются защиты от внешних КЗ и перегрузок на понижающих и повышающих трансформаторах? 4. Как осуществляется отстройка от броска тока намагни- чивания в дифференциальной защите трансформатора? 5. Назначение реле с торможением. 6. Принцип магнитного торможения в реле ДЗТ. 7. Принцип работы газовой защиты. 8. Особенности выполнения защит на автотрансформаторах. 9. Как выбирается ток срабатывания дифференциальных защит при использовании реле РНТ и реле с торможением типа ДЗТ?
Глава семнадцатая ЗАЩИТА ГЕНЕРАТОРОВ 17.1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ, ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ГЕНЕРАТОРОВ Виды повреждений генераторов. Большинство повреждений генератора вызывается нарушением изоляции обмоток статора и ротора, которые происходят вследствие старения изоляции, ее увлажнения, наличия в ней дефектов, а также в результате перенапряжений, механических повреждений, например из-за вибрации стержней обмоток и стали магнитопровода. Повреждения в статоре. В статоре возникают междуфазные КЗ, замыкание одной фазы на корпус (на землю), замыкание между витками обмотки одной фазы. Междуфазные КЗ сопровождаются прохождением в месте повреждения очень больших токов (десятки тысяч ампер) и образованием элект- рической дуги, вызывающей выгорание изоляции и токоведу- щих частей обмоток, а иногда и стали магнитопровода. При замыкании обмотки статора на корпус ток поврежде- ния проходит в землю через сталь магнитопровода статора, выжигая ее. Повреждение стали требует длительного ремонта с перешихтовкой магнитопровода (переборкой активной час- ти стали статора). Длительные замыкания на землю могут пере- ходить в междуфазные КЗ, что увеличивает объем поврежде- ний. Замыкание витков одной фазы происходит от- носительно редко; оно переходит либо в замыкание на землю, либо в КЗ между фазами. Повреждения в роторе. Обмотка ротора генератора находит- ся под сравнительно невысоким напряжением, и поэтому ее изоляция имеет значительно больший запас электрической прочности, чем изоляция статорной обмотки. Однако из-за значительных механических усилий, обусловленных большой частотой вращения роторов турбогенераторов (1500-3000об/мин), относительно часто наблюдаются случаи повреждения изоля- ции и замыкания обмотки ротора на корпус (т. е. на землю) в одной или двух точках. Замыкание на корпус в одной точке обмотки ротора неопасно, так как ток в месте замыкания очень мал и нормальная работа генератора не нарушается. Но при этом повышается вероятность возникновения опасного для генера- 621
тора аварийного режима в случае появления второго замыка- ния на корпус в другой точке цепи возбуждения. При двой- ных замыканиях часть витков обмотки ротора оказывается зашунтированной; сопротивление ротора при этом уменьшается, и в обмотке появляется повышенный ток, что вызывает даль- нейшие разрушения в месте повреждения и может вызвать горение изоляции обмотки ротора. Кроме того, из-за нарушения симметрии магнитного потока в воздушном зазоре между ротором и статором, обусловленного замыканием части витков обмотки ротора, возникает сильная вибрация, опасная для генератора. Особенно большая и опасная вибрация появляет- ся при двойном замыкании на землю на гидрогенераторах и синхронных компенсаторах (СК), имеющих явнополюсные роторы. Ненормальные режимы. Ненормальными режимами генера- тора считаются: опасное увеличение тока в статоре или ро- торе сверх номинального значения (появление сверхтоков); несимметричная нагрузка фаз статора; опасное повышение напряжения на статоре; асинхронный и двигательный режи- мы генератора. Повышенные токи в генераторе возникают при внешних КЗ и перегрузках. При внешних КЗ в генераторе, питающем место повреждения, появляется ток КЗ 1К > /ном.г. Нормально такие КЗ ликвидируются РЗ поврежденного эле- мента и неопасны для генератора. Однако в случае отказа РЗ или выключателя этого элемента ток в генераторе будет про- ходить длительно, нагревая его обмотки, что может привести к их повреждению. Для предупреждения этого на генераторе должны предусматриваться РЗ, реагирующие на внешние КЗ и резервирующие отказ выключателей смежных элементов. Перегрузка, т. е. увеличение тока нагрузки в обмотках ге- нератора сверх номинального значения 1Г > /НОм, так же как и внешнее КЗ, ведет к перегреву обмоток и может вызвать пор- чу изоляции, если ее температура превзойдет некоторое пре- дельное значение Тдоп, опасное для изоляции. Допустимое время taon для генератора с косвенным охлаждением опреде- ляется по формуле: tnon = 150/(fcf - 1), где к, - кратность тока перегрузки к /ном. Для ограничения размеров и массы, снижения стоимости и уменьшения затрат дефицитных материалов генераторы мощ- ностью 63 МВт и более выполняются с повышенной магнитной 622
индукцией в магнитопроводе машины, повышенной плот- ностью тока в обмотках статора и ротора, пониженными терми- ческими запасами и более интенсивной (форсированной) си- стемой непосредственного охлаждения обмоток, осуществляе- мого подачей охлаждающей среды (водорода, воды, масла) во внутреннюю полость проводников обмоток статора и ротора. Отечественные заводы выпускают генераторы с непосредствен- ным охлаждением обмоток: ротора водородом - типа ТВФ; ротора и статора водородом - ТГВ-200 и ТГВ-300; статора водой, а ротора водородом - ТВВ и ТГВ-200М; статора маслом, а ротора водой - ТВМ; статора и ротора водой - ТГВ-500 и ТГВ-800. Допустимая длительность перегрузки по статору и ротору для генераторов разных типов приведена на рис. 17.1 [57]. Это время зависит от способа охлаждения. Перегрузка статора до 30% на генераторах с непосредственным охлаждением и до 50% на генераторах с косвенным охлаждением допускается в те- чение 2 мин и более, поэтому при таких перегрузках не требу- ется немедленного автоматического отключения генератора. Во многих случаях перегрузки ликвидируются сами до истече- ния предельного времени ?доп. При авариях в энергосистеме с дефицитом генераторной мощности автоматически или вруч- ную оперативным персоналом принимаются меры по разгрузке перегруженных генераторов. Несимметрия токов в фазах генераторов возникает при двух- и однофазных КЗ вне генератора, при обрывах одной или двух фаз цепи, связывающей генератор с нагрузкой, и при неполно- фазном режиме работы в сети. Несимметрия токов статора при- водит к дополнительному нагреванию ротора и механической вибрации машины. Несимметрия сопровождается появлением в обмотке статора токов ОП L. Эти токи создают магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора. В результате этого магнитный поток, созданный тока- ми /2, пересекает корпус ротора с двойной частотой. Он индуци- рует в металлических частях ротора значительные вихревые токи двойной частоты и создает дополнительный, пульсирую- щий с двойной частотой электромагнитный момент. Вихре- вые токи вызывают повышенный нагрев ротора, пульсирую- щий момент - вибрацию. Несимметрия токов особенно опасна для крупных современ- ных турбо- и гидрогенераторов, выполняемых, как указыва- лось выше, с пониженным тепловым запасом. С учетом терми- 623
t, мин 1,1 1,2 1,3 1,4 1,51,отн.ед в) Рис. 17.1. Допустимая длительность перегрузки турбогенераторов по току ста- тора 1= ЛГс//ном) (°. 6) и ротора 1= /(1р/1ном) (а. г): а - турбогенераторы ТГВ-200, ТГВ-300 (кривая 1), ТВВ мощностью до 500 МВт включительно и ТГВ-200М (кривая 2), ТВФ (кривая 3); б - турбогенераторы ТВМ-500 (кривая 1), ТВВ-1200-2 (кривая 2), ТВВ-800-2, ТВВ-1000-4 (кривая 3); в - тур- богенераторы ТВФ, ТВВ и ТГВ мощностью до 500 МВт включительно (1 — генера- тор ТВФ-63-2; 2 - генераторы ТВФ-100-2, ТВВ и ТГВ); г - турбогенератор ТВМ-500 (кривая 1), ТВВ-1200-2 (кривая 2), ТВВ-800-2 и ТВВ-1000-1 (кривая 3) ческих и механических характеристик отечественных генера- торов допускается их длительная работа с неравенством (несимметрией) токов по фазам, не превышающим 10% для турбогенераторов и 10-20% для гидрогенераторов и СК, при условии, что ток в фазах не превосходит номинального значе- ния. При указанной несимметрии ток 12 составляет примерно 5 и 10% /ном соответственно, эти значения являются максималь- ными длительно допустимыми токами 12таха. Ток 12 > 12таха вызывает опасный дополнительный нагрев ротора и может допускаться лишь в течение ограниченного времени tnon, значение которого определяется предельной 624
Рис. 17.2. Кривые зависимости <доп = = 1 — для гидрогенераторов (А = 40); 2 - для турбогенераторов ТВ2 (А = 29); 3 - для турбогенераторов ТВФ (А = = 15); 4 - для турбогенераторов ТГВ-300 (А = 8,5) температурой Тпред, допустимой для изоляции обмотки рото- ра и отдельных, наиболее подверженных нагреву его элементов: Сдоп = A/I2., (17.1) где I2t - кратность среднего за время Гдоп действующего зна- чения тока 12 к номинальному току генератора; А - тепловая постоянная, зависящая от типа генератора. Под средним зна- чением тока 12 понимается действующее значение этого тока, остающееся постоянным в течение времени £доп и выделяющее за это время такое же количество тепла, что и действительный ток Z2(t), значение которого изменяется во времени: о (17.2) где 12щ - мгновенное значение 12, отн. ед. Выражение (17.1) является тепловой характеристикой рото- ра генератора, определяющей допустимую продолжительность несимметричных режимов в зависимости от значения тока 12: ^доп = /CG) [57]. Тепловые характеристики для генераторов разного типа и разной мощности приведены на рис. 17.2 и в табл. 17.1. Постоян- ная А принята по данным заводов. Для турбогенераторов с косвенным водородным охлаждением А = 30, для генераторов 625
1 Таблица 17.1 Продолжитель- ность несиммет- ричного режима, с Допустимый ток 12, в долях номиналь- ного, для турбогенераторов ТВВ и ТГВ ТВФ (до 800 МВт) 2 3 2,6 2 2,3 1,6 1,9 1,4 5 10 20 1,7 1,25 1,2 0,9 0,9 ТВФ А = 15, ТГВ, ТВВ и ТВМ А = 8. Для турбогенераторов 800 МВт А = 6. Из характеристик на рис. 17.2 видно, что для мощных генера- торов с непосредственным охлаждением при 12* = 0>3/НОМ1Г вре- мя ^доп относительно мало (меньше 2 мин), поэтому при подоб- ных перегрузках требуются автоматические устройства, защи- щающие генераторы при несимметричных режимах. У генераторов с косвенным охлаждением и большими запа- сами по нагреву роторов (кривые 1 и 2) допустимое время зна- чительно больше, и автоматическое отключение для них тре- буется при токах 12 > 0,57НОМ.Г. Повышение напряжения возникает на генераторах при вне- запном сбросе нагрузки, так как при этом исчезает магнитный поток реакции статора и увеличивается частота вращения раз- грузившейся машины. На турбогенераторах, как правило, повышение напряжения не достигает опасных значений и ликвидируется автоматиче- скими регуляторами скорости и возбуждения. Вместе с тем в условиях холостого хода генератора при неисправности авто- матического регулятора возбуждения (АРВ) может иметь мес- то значительное повышение напряжения обмотки статора, опасное для турбогенератора. Для предотвращения подобных повышений напряжения на турбогенераторах с непосредствен- ным охлаждением обмоток предусматривается специальная РЗ, действующая на гашение поля. На гидрогенераторах регуляторы скорости действуют медлен- нее, чем на турбогенераторах, в результате этого при сбросе 626
нагрузки частота вращения агрегата резко увеличивается и может превысить номинальную на 40-60%, а напряжение гене- ратора вследствие этого может возрасти до 150% номинально- го и больше. Поэтому на всех гидрогенераторах предусматри- вается РЗ от повышения напряжения, действующая на снятие возбуждения или отключение генератора. Асинхронный режим возникает при потере возбуждения, из-за отключения АГП и по любой другой причине. Асинхрон- ный режим сопровождается потреблением из сети значитель- ного реактивного тока, понижением напряжения на зажимах генератора, увеличением частоты вращения ротора и в общем случае качаниями. Турбогенераторы могут работать в асин- хронном режиме с некоторым скольжением, как асинхронные генераторы, при условии снижения активной нагрузки. Благо- даря повышенным значениям тока работа генератора в асин- хронном режиме ограничена по времени в зависимости от его конструкции и термических характеристик. При переходе генератора в асинхронный режим целесооб- разно отключить АГП, после чего обмотка ротора замкнется на гасительное сопротивление. Это приведет к уменьшению скольжения, уменьшению колебаний тока и напряжения на зажимах статора, снижению перенапряжений на обмотке ро- тора, созданию благоприятных условий для ресинхронизации. Поскольку снижение напряжения статора может вызвать на- рушение работы электродвигателей и механизмов собственных нужд, целесообразно переводить питание собственных нужд энергоблока, генератор которого работает в асинхронном режи- ме, на резервный источник питания. Для всех турбогенераторов мощностью до 500 МВт допуска- ется кратковременный асинхронный режим (длительностью до 15 мин). Использование асинхронного режима с последую- щей ресинхронизацией генератора (после восстановления его возбуждения) позволяет сохранить его в работе. Однако в ря- де случаев асинхронный режим может оказаться недопусти- мым из-за дефицита реактивной мощности в данном районе энергосистемы. В этих случаях генератор должен отключать- ся. Для турбогенераторов мощностью 800 МВт и более, а также для гидрогенераторов, имеющих роторы с явно выраженными полюсами, асинхронный режим недопустим, поскольку он со- провождается большими толчками токов и длительными не- затухающими качаниями. 627
Общие требования к защите генераторов. На генераторах устанавливаются РЗ от внутренних повреждений и опасных ненормальных режимов, т. е. таких режимов, которые могут вызывать повреждение генератора. При ненормальных режимах работы генератора, не требующих немедленного отключения, РЗ, как правило, должна действовать на сигнал, по которому дежурный обязан принять меры к устранению ненормального режима без отключения генератора. Автоматическое отклю- чение генератора допускается только в тех случаях, когда воз- никший ненормальный режим нельзя устранить, а его дальней- шее продолжение ведет к повреждению генератора. Для предотвращения развития повреждения, возникающе- го в генераторе, РЗ от внутренних повреждений должны отде- лить генератор от сети, отключив генераторный выключатель, и прекратить ток в обмотке ротора. Защиты от внешних КЗ должны отключать генераторный выключатель для прекраще- ния тока КЗ, посылаемого генератором в сеть, и для прекраще- ния тока в обмотке ротора в целях предупреждения повышения напряжения на зажимах генератора вследствие сброса нагрузки. При тиристорном возбуждении гашение поля осуществляет- ся переводом тиристоров в инверторный режим, при бесщеточ- ном возбуждении - переводом в инверторный режим тирис- торов в цепи возбуждения возбудителя. Технологические защиты турбины при некоторых поврежде- ниях и ненормальных режимах (например, при осевом сдвиге ротора, понижении давления масла, срыве вакуума) действуют на закрытие стопорного клапана турбины и подают команду по цепям своей технологической защиты на отключение гене- ратора и прекращение тока возбуждения в роторе. Зарубежные фирмы (например, АВВ) предусматривают дополнительно защи- ту от работы генератора в режиме двигателя в виде реле на- правления мощности, реагирующего на появление активной составляющей мощности, направленной в обмотку статора генератора. Подобная защита начала также применяться и в отечественной практике.
17.2. ЗАЩИТА ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА Назначение и общие принципы выполнения защиты. В ка- честве основной РЗ от междуфазных КЗ в генераторе применяет- ся быстродействующая продольная дифференциальная РЗ (см. §10.2). Эта РЗ, выполняемая по схеме с циркулирующими токами, подключается к ТТ, установленным со стороны линей- ных выводов и со стороны нулевой точки генератора; в зону ее действия входят обмотки, выводы статора, а для генераторов, работающих на сборные шины, - кабели или шины, соединяю- щие генератор с его выключателем. Разновидности схем продольных дифференциальных защит. На рис. 17.3 и 17.4 приведены три основные схемы дифферен- циальных РЗ. Первая схема (рис. 17.3, а, б) выполнена с помощью двух реле типа РНТ-565. Подобная схема обычно применяется на гене- раторах небольшой мощности (менее 30 МВт). Ток срабатыва- ния при этом допускается принимать равным (1,3 - 1,4)/ном. При такой уставке срабатывания дифференциальная РЗ, как правило, бывает надежно отстроена от тока небаланса и вмес- те с тем предотвращается ее ложное срабатывание в нормаль- ном режиме в случае обрыва соединительных проводов или неисправности одного из ТТ. При этом для сигнализации обры- ва соединительных проводов дифференциальной РЗ в нулевой провод токовых цепей включается токовое реле КАО (рис. 17.3, а), уставка срабатывания которого принимается рав- ной (20-30%) JH0M. Недостатком первой схемы РЗ по рис. 17.3, а является то, что она не срабатывает при двойном замыкании на землю (одно в сети, другое в обмотке статора), если в генераторе замы- кается на землю фаза статора, на которой отсутствуют ТТ РЗ (рис. 17.5). Для отключения генератора в этом случае преду- сматривается дополнительное токовое реле в схеме РЗ от за- мыканий на землю с ТТНП, действующее без выдержки време- ни на отключение (см. ниже). Вторая, наиболее распространенная схема, применяемая на генераторах с косвенным охлаждением обмоток, средней мощ- ности от 30 до 160 МВт приведена на рис. 17.3, в, г. Она выпол- няется в трехфазном исполнении с помощью реле РНТ-565 с 629
Рис. 17.3. Схемы продольных дифференциальных защит генератора: токовые цепи: а - с двумя реле РНТ; в - с тремя реле РНТ; оперативные цепи: б - с двумя реле РНТ; г - с тремя реле РНТ улучшенной отстройкой от апериодической составляющей то- ка небаланса, для чего сопротивление в короткозамкнутой обмотке реле принимается наибольшим (10 Ом). Ток срабатывания РЗ с РНТ обычно принимается равным (0,5 - 0,6)/ном г. Защита при этом оказывается надежно отстро- енной от тока небаланса. 630
Рис. 17.4. Дифференциальная защита с торможением: а — схема зашиты; б — тормозная характеристика реле ДЗТ-11/5; в — схема включения реле ДЗТ-11/5 для мощных генераторов 631
Рис. 17.4. (е) Третья схема (рис. 17.4, а) наиболее совершенная, она соче- тает два принципа отстройки РЗ от тока небаланса: торможе- ние, при котором ток Гср автоматически увеличивается с рос- том тока КЗ, и применение НТТ. В результате такого сочета- ния РЗ весьма надежно отстраивается от тока небаланса как в установившемся, так и в переходном режимах и обладает высокой чувствительностью при КЗ в генераторе. Ток срабаты- вания такой РЗ Гсз =» 0,15/ном. Подобная схема РЗ устанавлива- ется на турбогенераторах мощностью 160 МВт и более. В ка- честве дифференциального реле применяется токовое ре- ле ДЗТ-11/5 с торможением от тока КЗ. Реле ДЗТ-11/5 [15] имеет такую же, как и все реле серии ДЗТ-11, магнитную систе- му, но отличается в части первичных обмоток ПНТ - у него нет уравнительных обмоток, рабочая обмотка и?р имеет одно ответвление - в ее середине (рис. 17.4, в). Обмотка и?р включе- на на разность токов ТТ ТА1 и TAIL По рабочей обмотке про- ходит ток /р = Jia - /ив- Тормозная обмотка включена на ток ТАГ, установленного на линейных выводах генератора. Рис. 17.5. Токораспределение в цепях про- дольной дифференциальной защиты ге- нератора при двойном замыкании на землю 632
Выбор тока срабатывания защиты и трансформаторов тока дифференциальной защиты по схеме рис. 17.3. Для исключения неправильной работы дифференциальной РЗ по схеме рис. 17.3 при внешних КЗ ток срабатывания РЗ должен отстраиваться от максимального значения тока небаланса: Ц.з ~ ^отс-^нб max • (17.3) Здесь котс = 1,3 * 1,5; /Нб тах - расчетный ток небаланса, опре- деляемый по формуле 1цб max ~ к а. ^одн max ? (17.4) где к& - коэффициент, учитывающий дополнительную погреш- ность ТТ в переходном процессе и принимаемый равным 1 для РЗ с реле РНТ-565 и 1,5-2 для РЗ с реле PT-40; k0RH - коэф- фициент однотипности ТТ, принимаемый равным 0,5, посколь- ку к реле подключаются ТТ одного типа и с одинаковыми ко- эффициентами трансформации; е - относительное значение погрешности ТТ, равное 0,1; 1Ктах - периодическая составляю- щая тока (при t = 0), который проходит по ТТ РЗ при внешнем КЗ на шинах генераторного напряжения. Для понижения /Нб необходимо обеспечить по возможности равенство сопротивлений плеч и выбрать значение сопротив- ления нагрузки Zu для каждого ТТ, так чтобы они удовлетво- ряли 10%-ным характеристикам (см. гл. 3). Измерительные ТТ, к которым подключается дифференциальная защита генера- тора, следует применять класса ”Р”. Чувствительность РЗ по схемам рис. 17.3 проверяется по ми- нимальному току двухфазного КЗ на выводах генератора (в зо- не РЗ), когда последний отключен от сети. По ПУЭ необходимо иметь кч = 2. Число витков дифференциальной (рабочей) обмотки РНТ выбирается по выражению (17.5) где Fc р - МДС срабатывания реле РНТ-565, равная 100 А. Если РЗ не должна действовать при обрыве провода в токо- вых цепях схемы (рис. 17.3, а), то необходимо выполнить условие 4.3 = ЬЗ^НОМ* (17.6) 633
В этом случае ток /с 3 принимается равным большему из двух значений по формулам (17.3) и (17.6), после чего находится число витков wp. Выбор уставок защиты с тормозным реле. В качестве приме- ра для схемы рис. 17.4, а дан расчет дифференциальной защи- ты с реле ДЗТ-11/5 для генератора мощностью 200 МВт. Исход- ные данные и схема включения реле приведены на рис. 17.4, б. Расчет дан для генератора с расщепленными обмотками фаз и с установкой по одному трансформатору тока на фазу. Исходным для расчета по рис. 17.4, а, как и в предыдущей схеме, является условие недействия защиты от 1н^тах при внешнем КЗ. В соответствии с данными завода МДС, созда- ваемая рабочей обмоткой реле ДЗТ-11/5, необходимая для сра- батывания при отсутствии торможения, так же как у реле РНТ-565, составляет 100 А. Для генераторов с одним ТТ в каж- дой фазе (со стороны нейтрали) используется полное число витков рабочей обмотки Wp, которое составляет 144. При L = 0 4.р = -^с.р/^р = ЮО/144 = 0,7 А. Характеристика срабатывания реле Fc>p =/(FT) задается заводом-изготовителем (рис. 17.4, б). Выбор параметров защиты сводится к определению макси- мального значения тока небаланса и числа витков тормозной обмотки wT. Ток небаланса находится по выражению (17.4). Определив 1нбта1, находят /с,3 = к0ТС1„6тах; котс принимается равным 1,3-1,5. Затем подсчитывается МДС срабатывания ра- бочей обмотки Fc.p.pac4 = wp —. По характеристике срабаты- вания реле графическим путем находим МДС торможения FT, соответствующую расчетному значению Fc<p. По найденному значению FT определяется число витков wT: г ъ? ,г<3> Wt “ Fу Л] /1^ , (17.7) где 1К - ток при внешнем КЗ, по которому рассчитывался ток 1н6 max- Для генераторов большой мощности (Р > 300 МВт), у которых трансформаторы тока устанавливаются на каждой ветви фа- зы и соединены параллельно, с учетом разных значений токов в плечах защиты, для обеспечения равенства МДС со стороны нейтрали должна быть использована половина рабочей обмот- ки (72 витка; рис. 17.4, в). 634
Чувствительность РЗ проверяется при КЗ на выводах генератора при отсутствии торможения и при наличии его. В первом случае кч = /к.г»р/К1 ЮО, во втором (2) Кч = Wp/Fc'.pKj; здесь - минимальный ток двухфазного КЗ в месте повреж- г(2) дения, равный сумме токов, поступающих от сети 1К сети и от генератора 1^г’, - МДС срабатывания, определяемая по тормозной характеристике при F? = Оценка дифференциальной защиты. Дифференциальная защита является быстродействующей, чувствительной и прос- той защитой от междуфазных КЗ. На мощных генераторах 200 МВт и выше, особенно на генераторах 500-800-1200 МВт, необходимо стремиться к высокой чувствительности и быстро- действию дифференциальной защиты для уменьшения объе- ма повреждения, учитывая высокую стоимость крупных машин. Основными условиями надежной работы защиты при внешнем КЗ и высокой чувствительности при КЗ в зоне защиты являют- ся: выбор трансформаторов тока и их нагрузки таким образом, чтобы погрешность трансформаторов тока не превышала 10%; применение дифференциальных реле с торможением; надеж- ная отстройка тока срабатывания защиты от тока небаланса. Некоторым недостатком дифференциальных защит с БНТ является замедление их действия при КЗ в зоне до 0,06-0,1 с. Для гарантирования быстрого отключения повреждения целе- сообразно применять на мощных генераторах (500 МВт и выше) в качестве резервной второй дублирующий комплект диффе- ренциальной защиты. 173. ЗАШИТА ОТ ЗАМЫКАНИИ МЕЖДУ ВИТКАМИ ОДНОЙ ФАЗЫ Защита от витковых замыканий имеет ограниченное приме- нение вследствие отсутствия простых способов ее осуществле- ния. Только для мощных генераторов, каждая из фаз которых выполнена в виде двух и более параллельных ветвей, выве- денных наружу, разработаны относительно простые и надежные схемы РЗ. 635
Рис. 17.6. Поперечная дифференциальная защита генератора: а - распределение токов в параллельных ветвях фазы; б - схема односистем- ной РЗ В нормальных условиях и при внешних КЗ в параллельных ветвях I и II каждой фазы генератора наводятся одинаковые по значению и фазе ЭДС и Ец (рис. 17.6). Сопротивления параллельных ветвей равны, поэтому токи ветвей 1\ и /ц в нор- мальном режиме, а также и при внешнем КЗ равны по значе- нию и совпадают по фазе. В случае замыкания части витков и»к в ветви одной фазы в закороченных витках под действием ЭДС Е^ возникает боль- шой ток КЗ /к, циркулирующий по закороченным виткам. Электродвижущая сила и сопротивление поврежденной ветви (на рис. 17.6,а ветвь II) уменьшается за счет повредившихся витков Wr, замкнутых накоротко. В результате этого нарушается равенство ЭДС в поврежденной фазе Ej и Ец, а также токов Il и /ц. В параллельных ветвях поврежденной фазы появляется ЭДС ДЕ = Ej - Ец, под действием которой в контуре поврежден- ной фазы возникает уравнительный ток /y = (EI-EII)/(Xl + X1I), (17.8) где Xi и Хц - индуктивные сопротивления ветвей I и II (актив- ные сопротивления не учитываются, так как они очень малы); Е[ и Ец - ЭДС неповрежденной и поврежденной ветвей соот- ветственно. Нарушение равенства токов в параллельных ветвях статора генератора, происходящее при витковых замыканиях, и появ- ление уравнительного тока 1у используются для выполнения РЗ от этого вида повреждений. В качестве РЗ от витковых за- мыканий преимущественное распространение получила одно- релейная (односистемная) поперечная дифференциальная 636
защита, основанная на сравнении значений и направлений токов в параллельных ветвях. Односистемная схема поперечной дифференциальной РЗ приведена на рис. 17.6, б. Нулевые выводы трех параллельных ветвей I фаз статора А, В и С и трех параллельных ветвей II тех же фаз соединяются раздельно в две звезды с двумя вы- веденными нейтралями и N2. Эти нейтрали соединяются друг с другом нулевым проводом Nt - N2i в цепи которого уста- навливается трансформатор тока ТА0. К его вторичной обмотке через фильтр ZF подключается ИО - токовое реле КА, реаги- рующее на появление тока 1у рабочей частоты 50 Гц. Фильтр ZF пропускает ток рабочей частоты 50 Гц и запирает ток высших гармоник, в основном третьей гармоники и кратных ей. Из схемы следует, что ток 1Н п в нулевом проводе Nj - питающий реле КА, равен разности токов НП звезды параллель- ных ветвей I и II: /н.п = (Lai + Lbi + Zci) ~ (Laii + Lbii + Zen) = 3Zoi - 3ZoII> где foi и IoU - токи НП параллельных ветвей I и II соответст- венно. В нормальном режиме, а также при внешних КЗ (трех и двух- фазных) геометрическая сумма токов трех фаз каждой ветви, соединенной в звезду, равна нулю. Однако в действительно- сти 1н.п * 0- Вследствие искажения формы кривой фазных ЭДС генератора в каждой группе параллельных ветвей возни- кают гармонические токи. Токи третьих и кратных им гармоник совпадают по фазе и, суммируясь в нулевом проводе - N2, образуют результирующий ток: 311(Э) + 31ц(з). Кроме того, вслед- ствие неточного равенства фазных ЭДС параллельных ветвей Ед! и Едц, Ebi и £ви> ЕС1 и ^си и сопротивлений, в контуре каж- дой фазы появляется ток небаланса основной частоты 50 Гц 7нбд, 1нбВ и 7нбс. Таким образом, в реле появляется ток небаланса, обуслов- ленный уравнительным током 1Нб so и током третьих гармоник, ограниченных фильтром ZF(Ihq3): 1ц.п = 1нб = ^нб 50 + ^нб з* (17.9) Для исключения ложного срабатывания РЗ в этих режимах необходимо выполнить условие: 637
(17.10) *нб max • > I При замыкании витков в ветви одной из фаз, например, wK в ветви II на рис. 17.6, равенство ЭДС (Ej и Ец) в ветвях по- врежденной фазы нарушается и возникает уравнительный ток / как показано на рис. 17.6. Этот ток проходит через ТА0 в перемычке - N2 и вызывает появление тока в дифферен- циальном реле КА: = Zy/Kj. Защита приходит в действие при /у > /с э. Поскольку ток Zy уменьшается с уменьшением числа замкнувшихся витков wK, РЗ имеет мертвую зону. Она не дей- ствует при Zy < Jc,3. Защита реагирует не только на витковые замыкания в одной фазе, она может срабатывать при междуфазных КЗ, так как при этом обычно нарушается равенство ЭДС и токов в парал- лельных ветвях поврежденных фаз. Коэффициент трансформации ТА0 выбирается по выражению: Kj = 0,25ZHOM/5, при этом вторичный ток ТА0 должен соответ- ствовать шкале уставок на дифференциальном реле. В отли- чие от всех остальных схем дифференциальных РЗ в данной схеме погрешность ТА0 не вызывает токов небаланса, поэтому к его точности (характеристике намагничивания) не предъяв- ляется особых требований. Ток срабатывания РЗ должен быть больше тока небаланса, появляющегося в реле при внешних КЗ: 1С 3 = kHZH6 тах' Расчетных методов достоверного определения 1цбтах, при- годных для практического использования, нет, поэтому реко- мендуется уточнять Zc 3 по реальным токам небаланса, изме- ренным в условиях эксплуатации. На основании опыта эксплуа- тации принимается ZC3 = (20 - 30%)1НОМ r (ZKOM-r - ток генера- тора). Для выполнения РЗ применяется реле РТ-40/Ф, схема кото- рого показана на рис. 17.6, б. Сопротивления обмоток реле и конденсатора С подобраны так, что токи третьей гармоники, циркулирующие по проводу, соединяющему нейтрали и N2, замыкаются главным образом через конденсатор; благодаря этому Zcp защиты при частоте 150 Гц получается в 10 раз боль- шим, чем при токе с частотой 50 Гц. Ток срабатывания реле регулируется отпайками на первичной обмотке трансформа- тора TL и пружиной на реле в пределах 1,75-8,8 А. Релейная защита выполняется без выдержки времени с действием на отключение выключателя генератора, АГП и останов турбины. 638
17.4. ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ ОБМОТКИ СТАТОРА НА КОРПУС (НА ЗЕМЛЮ) Требования к защите. На основании результатов эксперимен- тов и опыта эксплуатации установлено, что при замыкании на землю в генераторе при токе замыкания 5 А и даже меньших его значениях, имеет место повреждение стали статора, тре- бующее большого и длительного ремонта. В связи с этим чувствительность защиты должна быть очень высокой, и защита должна действовать на отключение. Это требование становится важным для новых типов генераторов большой мощности (200 МВт и более), особенно с водяным охлаждением. Для таких генераторов необходимо выполнение защит, обеспечивающих их действие при замыканиях на землю в пределах всей обмотки (100%-ный охват витков обмотки ста- тора). Принципы выполнения защиты. Самым простым способом защиты генераторов от замыканий на землю является защита, реагирующая на составляющую НП (3/0). Токи /0 и напряжения Uo при замыканиях на землю обмотки статора. В § 9.1 показано, что ток замыкания на землю 13 равен 310 и пропорционален напряжению нулевой последовательно- сти UQ: I3~3ID = 3UO/XC, (17.11) где - емкостное сопротивление фазы самого генератора и сети генераторного напряжения. При замыкании на землю в обмотке генератора (рис. 17.7, а) напряжение Uo частотой 50 Гц равно напряжению замкнувших- ся на землю витков w3 обмотки фазы статора. С некоторым при- ближением можно считать, что напряжение распределяется равномерно по всем виткам фазы. Тогда, выражая w3 в процен- тах от всех витков фазы, получаем По-^3%Пф.г/100, (17.12) где С/ф г - нормальное напряжение фазы генератора. Подставив Uo из (17.12) в (17.11), найдем 13 = 310 = ЗПф.г»3%/(Хс.100). (17.13) 639
Vo.i3.h 6) Рис. 17.7. Напряжение Uo и ток /0 при замыкании на землю обмотки статора ге- нератора (а); зависимость Уо, 10 и 1Э от числа замкнувшихся витков обмотки статора генератора (б) Из (17.12) и (17.13) следует, что Uo, 10 и 1Э, появляющиеся при замыкании на землю, пропорциональны числу замкнув- шихся витков и>э. Графически эта зависимость изображена на рис. 17.7,6. Величины Uo, 10, 1э имеют максимальное значение при замыкании на землю на выводах генератора. В этом случае и>3 = 100%; подставив это значение в (17.12) и (17.13), получим Ц, = Ц».г>а 13 = 31а = Зиф.г/Хс = Зиф.гиС, (17.14) где С - емкость относительно земли одной фазы сети генера- торного напряжения. При приближении точки замыкания на землю к нейтрали генератора и>3 уменьшается от 100% до 0, вследствие этого уменьшаются и Uo, 10,13, достигая нуля при замыкании в нейт- рали генератора (рис. 17.7, б). Принцип действий токовой защиты с трансформатором тока нулевой последовательности (ТИП). Защита генераторов от замыканий на землю в обмотке статора, реагирующая на 3/0, должна выполняться с помощью фильтра НП аналогично РЗ ЛЭП (см. § 9.4). Ток небаланса в ТНП значительно меньше, чем в трехтрансформаторном фильтре НП, вследствие чего РЗ с помощью ТНП получается более чувствительной. Однако ТНП обычной конструкции (см. рис. 9.8) не обеспечивают не- обходимой чувствительности, поэтому применяются ТНП с подмагничиванием, позволяющим получить большую чувст- вительность РЗ (3-5 А первичного тока). 640
При замыкании на землю в обмотке статора возникает на- пряжение Uo, под действием которого в каждой фазе генера- тора появляется ток 1оС> замыкающийся через емкость С соответствующей фазы сети и место повреждения К. Проходя через магнитопровод ТНП, охватывающий три фазы генерато- ра, три тока IQc(3I0C) индуиируют во вторичной обмотке ТНП ток /р = 32ОС/КП, который питает обмотку токового реле (здесь Кп - коэффициент преобразования первичного тока ТНП во вторичный). Если ток /р > 1С З, то РЗ приходит в действие. Отнеся токи и 2С 3 к первичной стороне ТНП, получим, что условием рабо- ты РЗ является соотношение 32оС > 2С<3, где 31оС/Кп = 1р. Если в сети установлен дугогасящий реактор (ДГР), то на ток 10С накладывается ток ДГР Iol, замыкающийся по контуру катушка - место повреждения. В этом случае 1р = (31оС - - 3IoL)/Kn, а условие срабатывания примет вид: 31оС - 31 оЬ > 1С 3. Поскольку токи 10с и J0£ пропорциональны w3, то и ток 1р пропорционален н>э. При замыкании вблизи нейтрали генера- тора ток 1р может оказаться меньше тока срабатывания и РЗ не подействует. Таким образом, РЗ, реагирующая на ток 10, по принципу ее действия имеет мертвую зону, что является недостатком защиты. На генераторах малой и средней мощно- сти мертвая зона считается допустимой, если при повреждении в ней /3 < 5 А. При внешних замыканиях на землю под действием напря- жения Uo, появляющегося в месте повреждения, возникают токи /0, замыкающиеся через емкость сети и емкость обмоток генератора (10С и /ог). Как уже отмечалось в гл. 9, в момент воз- никновения замыкания появляется нестационарный бросок тока, в 4-5 раз превосходящий установившиеся значения 310г. Очевидно, что РЗ генератора должна быть отстроена от этого броска с некоторым запасом, для чего /с,3 > к§ 320г, где к$ - коэффициент, характеризующий значение броска емкостного тока. Значения емкостных токов 320Г для турбогенераторов при- ведены в табл. 17.2. Защита от замыканий на корпус с ТНП, имеющим подмагни- чивание. Конструкция ТНП. Магнитопровод 1 ТНП, имеющий форму прямоугольника, внутри которого располагаются кабели или токопроводы трех фаз генератора (рис. 17.8), выполняется 641
Таблица 17.2 Тип турбогене- ратора Номинальное на- пряжение, кВ Емкостный ток турбогенерато- ра, А ТВФ-63-2 6,3 0,59 ТВФ-63-2 10,5 1 ТВФ-120-2 10,5 1Д8 ТВВ-160-2 18 1,3 ТГВ-200М 15,75 3,42 ТВВ-200-2а 15,75 1,94 ТВВ-220-2а 15,75 1,94 ТГВ-300 20 4,67 ТВВ-320-2 20 3,29 ТГВ-500 20 4,78 ТВВ-500-2 20 2,71 ТВВ-500 36,75 7,4 ТВВ-800-2 24 2,95 ТВВ-1000-4 24 4,08 ТВВ-1200-2 24 5,21 из трансформаторной стали, на нем намотана вторичная об- мотка 2, питающая реле. На рис. 17.9 изображена кривая намагничивания ТНП для переменного тока. Она представляет зависимость ЭДС на за- жимах разомкнутой вторичной обмотки ТНП от магнитодви- жущей силы F первичного тока: Е = f(F). Показав на диаграмме F3 при токе замыкания на землю 13, можно убедиться, что Рис. 17.8. Упрощенная схема ТНП с подмагничиванием Рис. 17.9. Влияние подмагничивания на вторичную ЭДС Е2 ТНП 642
вследствие малого значения 13 трансформатор работает в на- чальной пологой части характеристики намагничивания. На- водимая во вторичной обмотке ЭДС Е2 = Е2 будет мала; соот- ветственно будет мал и вторичный ток, если вторичную обмот- ку замкнуть на реле. Чувствительность РЗ значительно возрастет, если на маг- нитопровод поместить дополнительную обмотку 3 (рис. 17.8), питаемую переменным током 1П от постороннего источника. Магнитодвижущая сила дополнительной обмотки Fn будет подмагничивать магнитопровод, создавая в нем магнитный поток Фп. Если при наличии подмагничивания протекает тот же ток замыкания на землю 73, то созданная им магнитодвижу- щая сила F3 складывается с магнитодвижущей силой обмотки подмагничивания Fn. В результате этого ТНП работает в более крутой части характеристики намагничивания ВС и ЭДС, наводимая током, Е2 будет значительно больше, чем при том же 13 без подмагничивания; соответственно возрастает ток в реле, что повышает чувствительность РЗ. Указанное подмаг- ничивание осуществляется переменным током от TH генера- тора, поэтому магнитный поток Фш создаваемый обмоткой подмагничивания, будет наводить во вторичной обмотке до- полнительную ЭДС Еп, искажающую работу ТНП. Для устра- нения вредного влияния обмотки подмагничивания магнито- провод выполняется из двух одинаковых сердечников: 1а и 16 (рис. 17.10). На каждом сердечнике располагаются вторичные обмотки 2а и 26 и обмотки подмагничивания За и 36. Обмот- ки За и 36 соединяются встречно-последовательно и создают в сердечниках магнитные потоки противоположного направ- ления. Вторичные обмотки 2а и 26 соединяются согласно-по- следовательно, поэтому наводимые в них током подмагничи- вания ЭДС Епаи^пб взаимно уничтожаются. Рис. 17.10. Трансформатор тока нулевой последовательности с подмагничива- нием А ВС 643
6) Контакт пусковых реле защит от внешних кв Рис. 17.11. Схемы зашиты генератора от замыканий на землю: а — токовые цепи; б — цепи оперативного тока За счет неточной балансировки во вторичной обмотке появляется ток /Яб.п, имеющий наибольшее значение при нор- мальном напряжении. При замыкании на землю в первичной цепи ТНП появляется ток 3/0. Он наводит в обмотках 2а и 26 последова- тельно направленные и равные по значению ЭДС, которые складываются и вызывают в реле ток 1р = 320. При симметричных КЗ и нагрузке ток в реле должен отсутствовать, однако из-за несимметрии расположения пер- вичных токопроводов во вторичных обмотках ТНП возникает ток небаланса /нбнес. Таким образом, при симметричных КЗ и токах нагрузки в реле РЗ появляется ток небаланса, состоящий из двух состав- ляющих: одна обусловлена несимметрией расположения фаз первичных токопроводов ТНП /нб.нес> вторая - подмагничива- нием /„б.подм- Для генераторов, связанных со сборными шинами шинными выводами, имеется аналогично выполненная конструкция ТНПШ. Принципиальная схема защиты с ТНП, имеющим подмагни- чивание, изображена на рис. 17.11. В схеме предусмотрены два токовых реле: чувствительное и грубое. Чувстви- тельное реле КА1 предназначено для действия при одно- фазных замыканиях на землю в обмотке статора генератора. На генераторах с ТНП кабельного типа используется токовое реле типа РТ-40, РТЗ-50 или заменяющее его реле типа РТЗ-51, 644
имеющее высокий коэффициент возврата. Реле КА1 при сра- батывании воздействует на реле времени КТ, имеющее вы- держку времени 0,5-1 с. В схемах защиты с ТНПШ предусмотрена блокировка, выво- дящая КА1 из действия при внешних КЗ для предотвращения отключения генератора из-за больших токов небаланса. Грубое токовое реле КА2 устанавливается для дей- ствия при двойных замыканиях на землю (одном - в генерато- ре и втором - в сети). Реле КА2 отстраивается от токов небалан- са при внешних КЗ и действует на отключение без выдержки времени. При больших кратностях тока двойного замыкания на землю возможно искажение формы кривой вторичного то- ка ТНП и как следствие - возникновение вибрации подвижной системы и контактов реле КА2 и отказ его в работе. Для исклю- чения этого в качестве КА2 используется реле РНТ-565 с НТТ. Во вторичную цепь ТНП включается сопротивление R ~ 5 Ом для ограничения тока в цепи при двойных замыканиях на зем- лю, благодаря чему обеспечивается термическая стойкость обмотки реле РТЗ-50, сопротивление входного трансформатора которого резко уменьшается из-за насыщения. Обмотка подмагничивания ТНП питается от основных об- моток трансформатора напряжения TV1. Первичный ток срабатывания защиты ^.з.п = Т-(^с^г) + (^'тс4б.п). (17.15) кв где 1Сг - емкостный ток замыкания на землю генератора; кв - коэффициент возврата реле (равный 0,8 для РТ-40 и 0,9 для РТЗ-50); к'тс = 2; к"тс = 1,5; /нб п - первичный ток небаланса. Ток срабатывания /сзп, определенный по выражению (17.15), должен быть менее 5 А. Ток срабатывания РЗ от двойных замыканий на землю (реле КА2) принимается 200-300 А (соответствует минималь- ной уставке РНТ-565). Для генератора ТВФ-120, имеющего больший емкостный ток, чем генераторы ТВФ-63, при применении схемы РЗ, цепи пере- менного тока которой показаны на рис. 17.11, /сэ п получает- ся более 5 А. В настоящее время ТНПШ не выпускается заводом, но еще находится в эксплуатации. Поэтому возникла необходимость в разработке и применении защиты генератора от замыканий 645
ABC Рис. 17.12. Распределение токов в дифференциальных цепях РЗ при внешнем замыкании Кх на землю, работающего на сборные шины нового типа. Такая защита была разработана во ВНИИЭ и изготавливается ЧЭАЗ. Селективная высокочувствительная защита типа ЗЗГШ-З (БРЭ 1301-03). Новая РЗ от однофазных замыканий на землю типа ЗЗГШ-З позволяет обеспечить 100%-ную защиту обмотки статора. Защита реагирует на высшие гармоники токов фаз. В РЗ ЗЗГШ-З фиксация замыкания на землю в обмотках ста- тора осуществляется сравнением разностей составляющих токов непромышленной частоты, протекающих по реле двух неповрежденных фаз, с третьей - поврежденной. Разность то- ков обеспечивается включением реле по дифференциальной схеме, использующей трансформаторы тока, установленные на выводах генератора и со стороны его нейтрали. Принцип действия рассматриваемой РЗ поясняется рис. 17.12 и 17.13. В нормальном режиме при отсутствии замыкания на землю ток через ИО не протекает, так лак разностный ток прак- 646
Рис. 17.13. Распределение токов в дифференциальных цепях РЗ при однофазных замыканиях на землю на выводах генератора К2 тически равен нулю. В ИО при этом может протекать лишь ток небаланса, обусловленный неидентичностью ТТ одной фазы. При этом составляющая основной частоты в токе небаланса не имеет значения, так как из разностного тока выделяются для сравнения только составляющие непромышленной ча- стоты. При внешнем однофазном замыкании на землю, как следует из распределения емкостных токов в сети при замыкании на землю в точке Kt (рис. 17.12), значения составляющих разност- ных токов непромышленной частоты всех фаз определяются только емкостями обмоток статора Icga> ^CGB> ^CGC- При этом уровень составляющих разностного тока поврежденной фазы ниже, поскольку она находится под меньшим напряжением. Действие РЗ при этом блокируется. При замыкании на землю на выводах одной из фаз статора в зоне действия РЗ в точке К2 (рис. 17.13) по двум неповреж- денным фазам проходят составляющие токов непромышлен- ной частоты, обусловленные емкостями фаз сети и обмоток 647
статора генератора. В поврежденной фазе эти токи складыва- ются, поступая в точку замыкания на землю. Со стороны фаз- ного вывода по поврежденной фазе до точки замыкания на землю проходят составляющие остальной части тока замыка- ния на землю. При этом уровни составляющих непромышлен- ной частоты разностного тока поврежденной фазы, определяе- мые суммарной емкостью сети, значительно превышают уров- ни разностных токов неповрежденных фаз, обусловленных емкостями неповрежденных фаз обмотки статора поврежден- ного генератора. Защита при этом срабатывает с высоким ко- эффициентом чувствительности. Предусмотрена автоматиче- ская регулировка чувствительности в процессе замыкания, благодаря чему обеспечивается ее заданный уровень, в том числе и при перемещении точки замыкания на землю внутрь обмотки. Рассматриваемая РЗ имеет мертвую зону (зону недей- ствия) - часть обмотки, примыкающую к нейтрали. На рис. 17.14, а приведена структурная схема этой защиты. Токи каждой фазы поступают в преобразователи 1, каждый из которых представляет собой трансреактор с двумя первичными и двумя вторичными обмотками. Одна из вторичных обмоток используется для подачи сигналов на вход РЗ в режиме про- верки. С помощью элемента 1 осуществляется: преобразование входных токов в напряжения, пропорциональные значениям входных разностных токов, и дифференцирование этих напря- жений (последнее предусмотрено для увеличения относитель- ных значений составляющих высших гармоник); гальваниче- ское отделение цепей РЗ от ТТ; экранирование цепей РЗ для повышения помехоустойчивости; прием входных сигналов в режиме проверки РЗ. Фильтр высших гармоник 2, предназначен для подавления основной составляющей 50 Гц. Элемент 3 предназначен для автоматического изменения значения входного сигнала для повышения чувствительности при малых токах повреждений. С этой целью с выхода элемен- та 12 подается напряжение Выходной сигнал элемента 3 усиливается, выпрямляется и сглаживается блоком 4, постоянное напряжение на выходе которого соответствует составляющим непромышленной ча- стоты токового сигнала данной фазы. Пусковой орган РЗ 7 представляет собой максимальное реле напряжения НП, 648
имеющее фиксированную уставку срабатывания, Ц.р = 0,ШНОМ. Блок 12 формирует 1/упр, которое подается на блоки 3 всех фаз. Это напряжение с момента срабатывания пускового ор- гана 7 нарастает с переменной скоростью. Значение Uynp опре- деляется интегралом по времени разностей напряжений: заданного эталонного и максимального из трех выходных на- пряжений блоков 4, выделяемого селектором максимального сигнала 11. Блоки 3, 11 и 12 обеспечивают автоматическую регулиров- ку чувствительности РЗ, при этом выходные напряжения 649
блоков 4 (Ех, Е2, Еэ) находятся на заданном уровне в широком диапазоне входных токовых сигналов (1А, Ig. повторяя с необходимой точностью их соотношения. Благодаря этому обес- печивается надежная работа РЗ как в широком диапазоне емкостных токов сети, так и при любом виде замыкания на землю: металлическом, полном и неполном (внутри обмотки статора), через переходные сопротивления, при перемежающих- ся дугах и т. д. В блоке 5 производится сравнение выходных напряжений блоков 4, определение соотношений этих напря- жений в зависимости от принятой характеристики срабатыва- ния (рис. 17.14,6) и выдача результирующей информации на логический реагирующий орган 6, который определяет, нахо- дится ли замыкание в зоне действия РЗ. Выходной орган 10 срабатывает при поступлении сигнала от реагирующего органа 6. В нормальном режиме, когда отсут- ствует напряжение НП, ПО 7 блокирует действие блока 6. После срабатывания ПО 7 блок 9 формирует сигнал на блок 8, который запускает на заданное время блок автоматической регулировки чувствительности 12. Если в течение этого вре- мени не происходит срабатывания выходного органа 10, устрой- ство переводится в исходное по чувствительности состояние (загрубляется). Если же в указанном интервале времени ор- ган 10 срабатывает, то чувствительность устройства остается на достигнутом уровне в течение времени существования замыкания. Возврат РЗ происходит после возврата ПО 7 или при исчезновении токовых сигналов на выходе блоков 4. Сра- батывание РЗ и изменение ее чувствительности возможно только при срабатывании ПО 7. Благодаря описанному выше взаимодействию блоков 8 и 9 в условиях длительного существования однофазного замыка- ния на землю во внешней сети (когда ПО 7 остается сработав- шим) РЗ остается в действии с грубой уставкой, что исключает возможность ее неправильного срабатывания. Если при этом возникает замыкание на одной из неповрежденных фаз в об- мотке статора (происходит переход однофазного замыкания в сети в двойное замыкание на землю), грубая уставка РЗ не мешает ей подействовать на отключение поврежденного гене- ратора. На рис. 17.14,6 построена характеристика РЗ в осях к2 и к3 коэффициентов, определяемых соотношениями Е2/Е^ и E3/Ei соответственно, где Ел - наибольший сигнал, поступающий от 650
блока 4, а Е2 и Еэ - сигналы двух других (неповрежденных) фаз. Характеристика, приведенная на рис. 17.14, б, выбрана для надежного предотвращения излишних срабатываний РЗ в режимах, не связанных с замыканиями на землю в обмотке статора защищаемого генератора. Рассматриваемая РЗ оснащена блоком проверки 13, имеющим два режима: проверки РЗ и самопроверки. В первом режиме, который реализуется только при отсутствии замыка- ния на землю (при несработанном состоянии пускового орга- на 7), проверяется вся схема РЗ, за исключением выходного реле, последовательно моделируются различные повреждения в сети. Запуск режима проверки осуществляется вручную (нажатием кнопки на лицевой плате блока) либо дистанционно, в том числе от часов. Блок сигнализации 14 выдает следующую световую инфор- мацию: наличие замыкания на землю в сети, срабатывание РЗ с указанием поврежденной фазы (этот сигнал снимается только специальной кнопкой ’’Сброс”), ’’Исправно” - подается в те- чение 2 с после окончания проверки, ’’Неисправно” - подается длительно при неуспешной проверке, вплоть до ручного сбро- са этого режима (одновременно блокируется РЗ). Блок 15 обес- печивает питание РЗ. В соответствии со структурной схемой и принципом дейст- вия, на рис. 17.15 представлена схема подключения устройства БРЭ 1301-03 к трансформаторам тока и напряжения защищае- мого генератора. Защита с наложением тока. Для 100%-ной защиты от замыка- ний на землю обмотки статора в ряде стран применяются РЗ с наложением постоянного тока. Структурная схема подоб- ной РЗ, применяемой в Кузбассэнерго, приведена на рис. 17.16. Все заземленные точки в сети генераторного напряжения (нейтрали первичных обмоток 1TV и 2TV) отключены от земли, объединены между собой и заземлены через разделительный конденсатор большой емкости Сраэд (десятки микрофарад). От источника переменного напряжения через разделитель- ный трансформатор Тразд и выпрямитель В выпрямленное на- пряжение U_ подается на объединенные нейтрали TH. Сопротивление изоляции цепей генераторного напряжения относительно земли определяет значение наложенного по- стоянного тока 1_ и пропорционального ему переменного тока 651
N Рис. 17.15. Схема подключения защиты БРЭ 1301-03 I в цепи первичной обмотки трансформатора Гразд и в измери- тельных органах РЗ и контроля изоляции КИ. При однофазном замыкании на землю или глубоком сниже- нии изоляции срабатывает РЗ и действует на отключение гене- ратора или на сигнал согласно ПТЭ. Уставка срабатывания РЗ принимается 5-10 кОм для генераторов всех типов. При небольшом ухудшении изоляции срабатывает сигналь- ный орган КИ, имеющий уставки 60-220 кОм на генераторах с непосредственным охлаждением обмоток статора (в зависи- Рис. 17.16. Структурная схема 100%-ной защиты от замыканий на землю и конт- роля дефектов изоляции на принципе наложения постоянного тока 652
мости от эксплуатационного уровня солесодержания дистил- лята) или 500-1000 кОм - на генераторах с газовым охлажде- нием обмоток. 17-5. ЗАЩИТА ОТ СВЕРХТОКОВ ПРИ ВНЕШНИХ КЗ И ПЕРЕГРУЗКАХ Назначение и виды защит от внешних КЗ. Защита генерато- ров от внешних КЗ служит для отключения генераторов при повреждениях на сборных шинах электростанций или на отхо- дящих от них присоединениях при отказе РЗ или выключателей этих элементов. В тех случаях, когда сборные шины генераторного напря- жения не имеют специальной РЗ, защита генератора от внеш- них КЗ служит основной РЗ от повреждений на шинах. Защита от внешних КЗ дополнительно используется для резервирования дифференциальной РЗ генератора при между- фазных КЗ в нем. Защита должна подключаться к ТТ, установ- ленным со стороны нулевых выводов генераторов, благодаря чему обеспечивается ее срабатывание от тока генератора при повреждении в его обмотках статора. В качестве РЗ генераторов от внешних КЗ применяются МТЗ с блокировкой (пуском) по напряжению, МТЗ ОП. Максимальная токовая защита с блокировкой по напряже- нию. Блокировка по напряжению выполнена по комбиниро- ванной схеме, состоящей из реле напряжения ОП KV2 и одного реле минимального напряжения KV1, включенного на между- фазное напряжение (рис. 17.17). Принцип действия такой бло- кировки рассмотрен в гл. 4. В схеме используются три токовых реле мгновенного действия. Уставки защиты. Ток срабатывания токовых реле выбирается по условию возврата при номинальном токе гене- ратора: (17.16) где I-2- Напряжение срабатывания реле минимального напряжения, включенного на междуфазное напряжение, выбирается из условий: а) возврата при минимальном уровне рабочего напряжения 653
Qt Рис. 17.17. Схема максимальной токовой РЗ с блокировкой по напряжению: а — токовые цепи; б — цепи напряжения; в — цепи оперативного тока LJpa6 min после отключения КЗ в сети: Ц.з = (17.17) б) недействия при понижении напряжения на зажимах ге- нератора, вызванном самозапуском электродвигателей или асинхронным режимом работы генератора, имеющим место при потере возбуждения: исз = (0,6^0,65)ирабнорм. (17.18) Второе условие является определяющим. Напряжение срабатывания реле KV2 (по отстройке от С72Нб) Uc.32 = О^раб.норм- (17.19) Чувствительность РЗ проверяется по току и напряжению при КЗ на шинах и в конце второго участка согласно следующим выражениям: по току Ч = *ктиЛ.3; (17.20) 654
по напряжению: для реле KV в схеме блокировки с тремя минимальными реле напряжения = ^с.э^кшах> (17.21) где UK тах - наибольшее остаточное напряжение при двух- фазном КЗ; для реле KV1 в схеме с комбинированным пуском ^ч = ^воз^^к max ; (17.22) для реле KV2 ^ч = ^J2K т1П/(72с>3, (17.23) где U2Kmin “ наименьшее напряжение ОП при двухфазном КЗ в зоне действия защиты. Выдержки времени: на деление шин ^прис + Д*, (17.24) где 1Прис - наибольшая выдержка времени на РЗ присоедине- ний, отходящих от шин генераторного напряжения; на отключение генератора t2 = tL + At. (17.25) Токовая защита от симметричной перегрузки. На электро- станциях, имеющих постоянный дежурный персонал, РЗ от перегрузки может действовать на сигнал и выполняться по схеме, приведенной на рис. 17.17. Поскольку перегрузка может продолжаться длительно, реле времени КТ2 должно быть тер- мически стойким. Ток срабатывания реле КА2 выбирается по выражению (17.16) при fc0TC = 1,05. Выдержка времени выбирается большей, чем на РЗ от КЗ, чтобы РЗ от перегрузки не давала сигналов при внешних КЗ, отключаемых РЗ. На электростанциях без постоянного дежурного персонала МТЗ от перегрузки должна выполняться с двумя выдержками времени и действовать с меньшей - на сигнал и снижение возбуждения, а с большей - на отключение выключателя и АГП. 655
Qi Рис. 17.18. Токовая РЗ обратной последовательности с приставкой для действия при трехфазных КЗ: а — токовые цепи; б — цепи напряжения; в — цепи оперативного тока На генераторах большой мощности в защитах от симметрич- ных перегрузок используется специальное реле с коэффици- ентом возврата: кв = 0,99. При этом/с э = 1,067НОМ г. Токовая защита обратной последовательности. Назначение, требование и принцип действия. Как указывалось в § 17.1, несимметрия токов в статоре является опасным режимом для ротора. Вследствие этого на генераторах применяется то- ковая РЗ от внешних несимметричных КЗ и от несимметрич- ных режимов, вызванных другими причинами. Схема такой РЗ для генераторов с косвенным охлаждением приведена на рис. 17.18. Реле КА2 является РЗ от несимметричных режимов с такими токами 12, при которых ручная ликвидация несим- метрии невозможна, так как требуется быстрое отключение генератора с t < 2 мин. Это реле должно действовать на отклю- чение и иметь ток срабатывания, определяемый по следую- щему выражению, если принять в нем (доп = 2 мин (120 с): 4.з = A^on = Уа/1201 (17.26) где А - постоянная величина для генератора данного типа (см. §17.1). Обычно /с 3 = (0,3 -е- 0,7)7НОМ. Так, например, для турбогенера- тора с косвенным охлаждением типа ТВ (А = 20) /с 3 < 0,45/НОМ; для гидрогенераторов (А = 40) 1С Э < 0,67НОМ. 656
Выдержка времени РЗ выбирается так же, как и для МТЗ с блокировкой по напряжению. При этом проверяется, что вы- держка времени РЗ не превышает допустимой длительности двухфазного КЗ на выводах генератора. Токовое реле КАЗ, уставка срабатывания которого принима- ется равным (0,08-0,1)7НОМ, предназначено для сигнализации в случае возникновения несимметрии в первичной сети, сопро- вождающейся прохождением сравнительно небольшого тока ОП, который может допускаться по условиям нагрева ротора в течение нескольких минут. Выдержка времени, с которой реле КАЗ действует на сигнал, принимается равной 6-8 с. Для ГЭС без постоянного дежурного персонала чувствитель- ный токовый орган МТЗ ОП действует на отключение генера- тора с t < 2 мин. В схеме РЗ на рис. 17.18 для действия при симметричных КЗ предусмотрены одно токовое реле КА1, включенное на фазный ток, и одно реле минимального напряжения KV, подключен- ное на междуфазное напряжение. Уставки срабатывания этих реле выбираются так же, как и уставки реле МТЗ с блокиров- кой по напряжению. На генераторах с непосредственным охлаждением обмоток устанавливается МТЗ ОП с зависимой интегральной характери- стикой выдержки времени, соответствующей тепловой харак- теристике генератора (рис. 17.19, в). Для находящихся в эксплуатации генераторов допускается применение четырехступенчатой МТЗ ОП, выполняемой с по- мощью двух устройств РТФ-7, схема которой показана на рис. 17.19. Чувствительное реле устройства РТФ-7 (ZA2.1 на рис. 17.19) КА2 используется для сигнализации, а грубое КА1 - для вто- рой ступени РЗ. С помощью чувствительного элемента второго устройства РТФ-7 (ZA2.2 на рис. 17.19) выполняется третья ступень РЗ КА5, а грубый элемент КА4 используется для вывода из дей- ствия токовой РЗ НП (при ее наличии), чтобы предотвратить ее излишнее срабатывание при внешнем КЗ. Для выполнения первой ступени РЗ используется дополнительное токовое ре- ле КАЗ (рис. 17.19) типа РТ-40/0,6, подключение которого к фильтру второго устройства РТФ-7 осуществляется через спе- циальные выводы. 657
KAI 1 Рис. 17.19. Токовая защита обратной последовательности с двумя реле типа РТФ-7: а — цепи переменного тока; б — цепи постоянного оператив- ного тока; в — характеристика за- щиты Каждая ступень МТЗ ОП действует на свое реле времени, а для третьей ступени предусмотрена установка двух последова- тельно действующих реле времени КТ4 и КТ5. Первая, наиболее грубая ступень РЗ с одной и той же выдержкой времени дей- ствует на отключение АГП, выключателя генератора и на про- межуточное реле, отключающее шиносоединительные и сек- ционные выключатели. Вторая же и третья ступени действуют с двумя разными выдержками времени: с первой через про- скальзывающие контакты КТ1.1 и КТ5.1 на отключение шино- соединительных и секционных выключателей, а со второй (контакты КТ1.2, КТ5.2) - на отключение АГП и выключателя генератора. 658
Токовое реле ОП КА4 используется для вывода из действия МТЗ НП при внешних несимметричных КЗ. Ток срабатывания этого реле должен быть больше /сз продольной дифференци- альной РЗ, установленной на трансформаторе. Уставки сраба- тывания МТЗ ОП выбираются по следующим соображениям: первой ступени /2С.3] - обеспечение необходимой чувстви- тельности (кч > 1,2) при двухфазных КЗ на выводах генератора, когда выключатель его отключен, выдержка времени в соответствии с характеристикой, определяющей допустимую длительность тока ОП, равного /2С,3 j; второй ступени 12С 3 ц - так, чтобы при несимметричном КЗ за повышающим трансформатором обеспечивалась необходи- мая чувствительность и селективность с РЗ соседних элемен- тов, выдержка времени tn в соответствии с характеристикой принимается 8,5 с; третьей ступени 12с,3 ш - 0,25/„ОМ, гш = 40 с. Ток срабатывания КА2, действующего на сигнал, принима- ется (0,05 - 0,06)/ном. Взамен вышеописанного устройства РТФ-7 ЧАЭЗ выпускает защиту обратной последовательности РТФ-9, структурная схе- ма которой представлена на рис. 17.20 [40]. Устройство РТФ-9 со- держит два измерительных органа, имеющих разные диапазоны уставок по току обратной последовательности: грубый (0,4 - 1,6)/ном и более чувствительный (0,04 - 0,16)/ном. В соче- тании с дополнительными реле времени обеспечивается двух- ступенчатая характеристика защиты аналогично РТФ-7. Устройство подключается в цепь посредством промежуточ- ных трансформаторов ТА1 и ТА2 (датчиков тока), с помощью которых исключается влияние составляющих нулевой после- довательности на работу реле. Вторичные обмотки TAI, ТА2 осуществляют питание ФТОП 3 основного элемента узла фор- мирования реле. Активный полосовой фильтр 4, настроенный на рабочую частоту, входит в состав узла формирования чув- ствительного органа и служит для подавления высших гармо- ник, содержащихся в поступающем на него сигнале. Узлы сравнения обоих органов содержат однопороговый компаратор 5, 5', времясравнивающую ЯС-цепочку 6, 6'и триг- гер Шмитта 7, 7'. Работа узла сравнения основана на сопостав- лении времени превышения входным сигналом заданного опорного напряжения с временем, когда входной сигнал мень- ше опорного. Для выполнения заданной уставки по току об- 659
rpySbtu из hi гри/п е л ь ны и орган 0,0» др» 0J6 0,321 >1ее 40.2*28)8, Чу8ст5ительный измерительный орган Рис. 17.20. Структурная схема защиты РТФ-9 ратной последовательности предусмотрены переключатели на лицевой табличке реле. Узлы выхода S, S' выполнены по типо- вой схеме с электромеханическими промежуточными реле (см. гл. 2). На турбогенераторах большой мощности МТЗ ОП выполня- ется с зависимой интегральной характеристикой выдержки времени, соответствующей тепловой характеристике генера- тора согласно (17.1). Структурная схема фильтра-реле типа РТФ-6М, с помощью которого осуществляется зависимая РЗ генераторов, приведе- на на рис. 17.21, а. В состав комплекта РТФ-6М входят следую- щие элементы: сигнальный 1; два токовых элемента 2 и 3, име- нуемых отсечкой I и отсечкой II, они предназначены для рабо- ты при несимметричных КЗ и имеют разные зоны действия и независимую выдержку времени; зависимый (интегральный) элемент 5 с характеристикой по выражению (17.2); пусковой элемент 4, осуществляющий пуск зависимого элемента при определенном значении 12. Все элементы схемы реагируют на 660
Рис. 17.21. Защита с фильтром- реле РТФ-6М: а — структурная схема фильт- ра-реле РТФ-6М; б - характери- стика защиты ток, получаемый от фильтра обратной последовательности ZA2. Ток 12 преобразуется в напряжение соответствующей величины трансформатором TL и выпрямляется двумя выпрямителями VS1 и VS2. Первый питает зависимый элемент 5, второй - остальные элементы схемы. Сигнальный элемент, отсечка I, отсечка II и пусковой эле- мент выполнены однотипно на принципе сравнения напряже- ния Up = 12 с опорным напряжением Uon. Реле срабатывает, если ир > Uon. В качестве нуль-индикатора используется маг- нитоэлектрическое реле. Эти элементы не имеют выдержки времени. Зависимый элемент основан на использовании про- цесса заряда конденсатора током 7зар = 12. Для преобразования тока 12 в ток /зар служит частотно-импульсный модулятор. В качестве выходного реагирующего элемента служит триггер, воздействующий на исполнительное реле. 661
Рассмотренное реле выпускается заводом с номинальными токами 5 и 10 А. В зависимости от диапазона регулирования уставок по постоянной А реле имеет три исполнения: 5—10, 10-20, 20-45. Для первых двух исполнений обеспечивается диапазон уставок сигнального органа (0,05 - 0,15)12., пусково- го органа (0,08 - 0,24)/2*. Для третьего диапазона уставки сиг- нального органа (0,1 - 0,3)/2„, для пускового (0,12 - 0,36)/2w. Диапазон уставок органа отсечка / вне зависимости от испол- нения находится в пределах (0,4 - 1,2)4*, органа отсечка II - в пределах (0,71 - 1,9)4*- Характеристика реле РТФ-6М пред- ставлена на рис. 17.21, б. 17.6. ЗАЩИТА ОТ ПОВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Выше указывалось, что при сбросе нагрузки на гидрогенера- торах напряжение на их зажимах резко возрастает и достигает 150% номинального и более. Такое напряжение опасно для изоляции статора и должно быть ликвидировано за несколько секунд. Поэтому на гидрогенераторах устанавливается РЗ от повышения напряжения, действующая на отключение выклю- чателя и АГП генератора. Защита состоит из реле напряжения KV и реле времени КТ. Напряжение срабатывания принимает- ся (1,5 - 1,7)[/ном, выдержка времени 0,5-1 с. Защита от повыше- ния напряжения устанавливается также на турбогенераторах, работающих в блоке с трансформаторами (см. гл. 18). 17.7. ЗАЩИТА РОТОРА Защита обмотки ротора от замыкания на корпус в одной точ- ке. Для периодического контроля за состоянием изоляции цепей возбуждения используется вольтметр, один зажим кото- рого соединен с землей, а второй поочередно подключается к полюсам ротора. Если изоляция ротора достаточно высока, замеры вольтметра в обоих случаях будут близки к нулю. При замыкании на землю в обмотке ротора вольтметр измерит значение напряжения каждого полюса относительно земли. При снижении изоляции в какой-либо точке обмотки значение замеров напряжения будут различными в зависимости от мес- та ухудшения изоляции и ее сопротивления. Для повышения точности определения сопротивления изоляции обмотки ро- 662
тора относительно земли при измерениях используют вольт- метр с высоким сопротивлением обмотки [31]. На гидрогенераторах, турбогенераторах с водяным охлажде- нием обмотки ротора, а также на всех турбогенераторах мощ- ностью 300 МВт и выше должна предусматриваться РЗ от за- мыканий на землю в одной точке цепи возбуждения. На гидро- генераторах эта РЗ должна действовать на отключение, а на турбогенераторах - на сигнал. Схема РЗ, которая может применяться на гидрогенерато- рах при емкости цепи возбуждения относительно земли не больше 0,5 мкФ, приведена на рис. 17.22. К цепи возбуждения через конденсатор С подключается вторичная обмотка проме- жуточного трансформатора TL, в цепь которого включено токо- вое реле КА, имеющее специальные обмоточные данные. Вто- рой конец обмотки токового реле заземляется через специ- альную щетку, имеющую электрический контакт с валом ротора. Питание схемы РЗ осуществляется от шин СН через транс- форматор TL, вторичное напряжение на зажимах которого составляет 100 В. В нормальном режиме ток в реле КА не проходит, и оно дер- жит разомкнутым свой контакт. В случае замыкания на землю в цепи возбуждения генератора создается контур для прохож- дения переменного тока через токовое реле, которое при этом срабатывает. Через замкнувшийся контакт реле КА плюс пода- ется на обмотку реле времени КТ, которое, сработав, застав- ляет подействовать промежуточное реле KL. После срабатыва- ния реле KL самоблокируется и предотвращает длительное прохождение переменного тока через место замыкания на землю. Для деблокировки РЗ и ввода ее в работу установлен ключ SAC. Конденсатор С емкостью 0,3 мкФ, включенный по- следовательно с реле КА, не допускает прохождение постоян- ного тока через место замыкания на землю. В случае, если при замыкании на землю в цепи возбуждения генератора конден- сатор окажется пробитым, возникает короткое замыкание. При этом РЗ отключится плавкими предохранителями F1 и F2. На турбогенераторах с электромашинной тиристорной и высо- кочастотной системами возбуждения применяется серийно выпускаемая промышленностью РЗ типа КЗР-З, выполняемая с наложением на цепь возбуждения переменного тока часто- той 25 Гц. 663
Рис. 17.22. Схема РЗ гидрогенератора от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения: а — цепи переменного напряжения; б — цепи оперативного тока Рис. 17.23. Замыкание на землю обмотки ротора в двух точках (а) и принцип действия РЗ обмотки ротора от замыкания на землю в двух точках (б) Защита обмотки ротора от замыканий на корпус во второй точке. Защита от замыканий на землю в двух точках цепи воз- буждения устанавливается только на турбогенераторах. Обыч- но на электростанции имеется один комплект РЗ, приспособ- ленный к удобному и быстрому подсоединению его к любому генератору. Принцип действия РЗ от второго замыкания на землю показан на рис. 17.23, б- Параллельно обмотке ротора включается потенциометр Рп. На потенциометре находится точка К1', потенциал которой равен потенциалу места первого замыкания в обмотке ротора (точка К1). Между точкой К1 и землей включается обмотка токового реле КА. Схема представляет собой четырехплечий мостик с реле в его диагонали. При равенстве потенциалов точки поврежде- ния К1 и точки потенциометра КГ сопротивления плеч моста удовлетворяют условию Рх/Р2 == ^1П/^2п> ПРИ этом ток в реле КА равен нулю и РЗ не действует. В случае появления второго замыкания на землю, например в точке К2, подобранное со- отношение сопротивлений плеч моста нарушается, вследствие чего потенциалы точек К1 и КГ становятся неравными и в диагонали моста (в реле) появляется ток, который зависит от степени небаланса плеч. Если ток в реле /р > 1Сф, то РЗ при- ходит в действие. 664
Отключение Рис. 17.24. Схема РЗ генератора от замыканий на землю в двух точках цепи воз- буждения: а—цепи возбуждения; б — цепи оперативного тока Чем дальше от точки К1 возникает второе повреждение К2, тем больше будет ток в реле. Защита имеет мертвую зону, рас- положенную вблизи точки К1 (между точками а и б). Если вто- рое замыкание (К2) окажется в пределах этой зоны, то ток 1р будет меньше /с>р и РЗ не сможет подействовать. Точка КГ на потенциометре РЗ находится опытным путем по милли- вольтметру постоянного тока, который измеряет напряжение на обмотке реле КА. Движок потенциометра передвигается до тех пор. пока показание вольтметра не станет равным нулю, что указывает на балансировку плеч и отсутствие тока. Принципиальная схема РЗ показана на рис. 17.24. При замы- кании на землю в одной точке, даже при наличии баланса плеч, через реле непрерывно протекает переменный ток, обус- ловленный неравномерностью воздушного зазора между ста- тором и ротором. Вследствие этой неравномерности магнит- ный поток, пронизывающий обмотку ротора, пульсирует при вращении ротора. Эта пульсация потока вызывает в обмотке ротора ЭДС, обусловливающую появление переменного тока в цепи реле. Для предупреждения неправильной работы РЗ последовательно с обмоткой реле включается дроссель L. Сопротивление дросселя подбирается таким образом, чтобы значение переменного тока Г было меньше /ср. Для повыше- ния надежности отстройки РЗ от переменного тока Г парал- лельно обмоткам реле KL1 и KL2 включается конденсатор С, через который замыкается большая часть тока Г. При появле- 665
нии второго замыкания на землю весь ток повреждения, яв- ляющийся постоянным, протекает по реле, поскольку конден- сатор не пропускает постоянный ток. Обмотки реле KL1 и KL2 присоединяются не непосредст- венно на землю, а на вал ротора, поскольку замыкание обмот- ки происходит также не непосредственно на землю, а на корпус ротора. Для подсоединения к валу устанавливается специаль- ная щетка. Защита имеет реле времени КТ, на котором уста- навливается выдержка времени 0,5-1 с. Замедление РЗ преду- преждает ложную работу ее при внешних КЗ в сети, а также нежелательное действие при неустойчивых замыканиях в роторе. Если KL3 действует на отключение или подает сигнал о действии РЗ, оно контактами KL3.2 шунтирует обмотки реле KL1 и KL2, которые не рассчитаны на длительный ток. Для присоединения цепей РЗ к поврежденному генератору устанав- ливается рубильник S. Вольтметр PV и переключатель SAC служат для настройки РЗ, а кнопка SB - для деблокировки схе- мы после срабатывания РЗ. Чувствительность РЗ зависит не только от тока срабатыва- ния реле KL1 и KL2, но и от сопротивлений реле и потенцио- метра RR1, влияющих на значение тока повреждения. Чем меньше их сопротивление, тем больше ток в реле и выше чув- ствительность РЗ. Для уменьшения мертвой зоны желательно иметь возможно большую чувствительность РЗ. Опыт эксплуа- тации показывает, что при сопротивлении потенциометра Rr ~ 50 + 100 Ом и уставке на реле 50-100 мА РЗ обладает до- статочной чувствительностью. Промышленность выпускает комплектное устройство КЗР-2. Для повышения чувствительности в КЗР-2 в качестве реаги- рующего органа используются два поляризованных реле KL1 и KL2. Одно из них действует при токе повреждения, когда потенциал точки К1 больше К2, а второе - при токе обратного направления, когда потенциал точки К2 больше К1 (рис. 17.23). Оценка защиты. Недостатками РЗ являются; возможность неправильного действия ее при КЗ в цепи статора, наличие мертвой зоны и непригодность схемы в случае, если первое замыкание на землю произошло на конце обмотки ротора. Защита ротора от перегрузки. Для предотвращения повреж- дения ротора при перегрузке предусматривается специальная РЗ, а также выполняется ограничение длительности форсиров- ки возбуждения. Наиболее полноценную РЗ ротора от пере- 666
Рис. 17.25. Трансформатор постоянного тока для подключения РЗ ротора от пере- грузки (1) и вспомогательное устройство для измерения тока ротора (2) грузки можно осуществить с помощью реле, имеющего харак- теристику, соответствующую перегрузочной характеристике ротора. Такая РЗ типа РЗР-1М имеет две ступени: с первой она действует на развоз Суждение генератора, а со второй - на от- ключение генератора от сети и на гашение поля. Каждая сту- пень имеет свою зависимую выдержку времени, при этом вы- держка времени первой ступени при одних и тех же значениях тока ротора примерно на 20% меньше выдержки времени вто- рой ступени. Ток ротора подается в РЗ от датчика тока, в качестве кото- рого при тиристорном и высокочастотном возбуждении исполь- зуется трансформатор постоянного тока (ТПТ), а при бесщеточ- ном возбуждении - индукционный короткозамкнутый датчик тока (ИКДТ). Трансформатор постоянного тока представляет собой магнитный усилитель, в котором управляющая обмот- ка, включенная на ток ротора, выполнена в виде стержня, про- ходящего внутри двух замкнутых магнитопроводов (рис. 17.25). Рабочая обмотка ТПТ расположена на обоих магнитопроводах (четыре секции, соединенные параллельно на каждом магни- топроводе). Обмотки, расположенные на различных магнито- проводах, соединяются последовательно (при номинальном токе ТПТ 1,5-2,5 кА) или параллельно (при номинальном токе 3 кА и более). В цепь рабочей обмотки, питающуюся от источника переменного тока, включена вторичная нагруз- ка ТПТ. Сопротивление рабочей обмотки зависит от магнитно- го потока в сердечниках ТПТ. При малых значениях тока 667
ротора мал и магнитный поток. Этому режиму соответствует большое сопротивление рабочей обмотки, приближающееся к бесконечности, когда ток ротора снижается до нуля. При этом близок к нулю и ток рабочей обмотки. При больших значениях тока ротора (и больших значениях тока в управляющей обмот- ке) сердечники насыщаются, сопротивление рабочей обмотки снижается и ток в ее цепи возрастает, приближаясь к наиболь- шему значению. Линейная зависимость тока в цепи нагрузки ТПТ от тока в управляющей обмотке во всем рабочем диапазоне (пропорцио- нальность тока в рабочей обмотке току ротора) достигается выбором параметров ТПТ, обеспечивающим его работу на пря- молинейном участке характеристики намагничивания. Для предотвращения трансформации переменного тока из рабочей обмотки в управляющую секции рабочей обмотки, размещен- ные на разных сердечниках, соединены так, чтобы в управляю- щей обмотке наводились встречные, взаимно компенсирую- щиеся ЭДС. В защите РЗР-1М рабочие обмотки ТПТ при наладке соединя- ются последовательно, как показано на рис. 17.25. При этом номинальный первичный ток увеличивается в 2 раза, а вто- ричный остается прежним (5 А для всех исполнений от 1,5 до 4 кА и 6 А для ТПТ на 6 кА). Напряжение питания рабочих обмоток при этом должно быть увеличено примерно в 2 раза. С учетом сказанного выше РЗ выполняется на номинальный ток 2,5 А. Питание в цепь рабочей обмотки ТПТ подается из системы возбуждения через вспомогательное устройство ВУИ, содержащее автотрансформатор TL1 и два трансформатора тока ТА1 и ТА2 (с выпрямительными мостами на вторичных обмотках), используемые для измерений. Индукционный датчик тока представляет собой неподвиж- ную короткозамкнутую ’’беличью клетку”, охватывающую вал генератора, внутри которого проходят провода от возбудителя к обмотке ротора. Проходящий в этих проводах ток возбужде- ния создает при работе генератора вращающееся магнитное поле, индуцирующее токи в стержнях беличьей клетки. Эти токи замыкаются через ТТ, во вторичную цепь которого вклю- чается релейная защита РЗР-1М. С помощью ИКДТ на РЗ по- дается синусоидальный переменный ток, пропорциональный току ротора. При номинальной нагрузке этот ток составляет примерно 2,5 А. 668
Рис. 17.26. Структурная схема реле РЗР-1М: I - на сигнал; II - на развозбужде- ние; III — на отключение генератора Защита РЗР-1М состоит (рис. 17.26) из входного преобразова- тельного устройства ВПУ, которое служит для настройки РЗ на заданный вторичный номинальный ток и преобразования пере- менного тока, поступающего от датчика тока, в выпрямленные и сглаженные напряжения, подаваемые на основные органы реле, сигнального СО, пускового ПО, интегрального ИО орга- нов и блока питания БП. Принципы выполнения основных органов защиты РЗР-1М аналогичны рассмотренным выше для обратной последова- тельности РТФ-6М. Отличие РЗР-1М состоит в том, что в ней используются лишь два органа без выдержки - СО и ПО (а не четыре, как в РТФ-6М). Интегральный орган в обеих ступенях РЗР-1М учитывает накопление теплоты в обмотке ротора при перегрузке и охлаждение ротора после ее устранения. Зависи- мая от тока характеристика выдержек времени срабатывания интегрального органа соответствует выражению tcp = А/[k(/p0T - В)]2, (17.27) где А - постоянная, учитывающая накопление теплоты в ро- торе; к, В - коэффициенты, зависящие от вида характеристик и диапазона уставок. Защита РЗР-1М выпускается в двух исполнениях, отличаю- щихся характеристиками выдержки времени: исполнение I предназначено для использования при допустимой длительно- сти прохождения двукратного номинального тока в обмотке ротора 1ДОП = 20 с; исполнение II - при tnon = 30 с.
17.8. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ Включение синхронных компенсаторов в сеть. Конструктив- ное исполнение синхронного компенсатора (СК) сходно с гене- раторами. Важной особенностью СК, которую надлежит учиты- вать при выполнении РЗ, является их пуск. Наиболее простым способом пуска СК является асинхронный пуск. Он осущест- вляется включением СК на напряжение сети без возбужде- ния. При этом СК ведет себя как короткозамкнутый асин- хронный двигатель. После того как скорость вращения ротора приблизится к синхронной, включается возбуждение, и СК втя- гивается в синхронизм. Для уменьшения броска пускового тока при включении на напряжение мощные СК пускаются через специальный реактор (рис. 17.27), который шунтируется выключателем Q2 после затухания пускового тока. Так же как генератор, СК снабжаются АГП. Защита СК от внутренних повреждений. Основными РЗ от внутренних повреждений СК являются дифференциальная РЗ и РЗ от замыканий на землю, выполняемые по приведенным выше схемам. На СК, имеющих пусковой реактор, последний желательно включать в зону дифференциальной РЗ. Все РЗ от внутренних повреждений СК должны отключать его от се- ти и снимать возбуждение отключением АГП. Защита СК от ненормальных режимов. Защита минималь- ного напряжения. При исчезновении напряжения СК лишает- ся питания и останавливается. Для предотвращения подачи напряжения на неподвижный СК, при наличии на нем возбуж- дения, предусматривается РЗ минимального напряжения (рис. 17.28). Эта РЗ должна отключить остановившийся СК от сети. РЗ минимального напряжения состоит из реле мини- мального напряжения KV1 и KV2 и реле времени КТ. Для умень- шения вероятности неправильного отключения СК при не- исправности в цепях напряжения целесообразно устанавли- вать два реле минимального напряжения, включаемых или на разные TH, или на разные междуфазные напряжения одно- го и того же TH, как показано на рис. 17.28. Контакты обоих реле соединяются последовательно. Если оба реле KV питают- ся от TH СК, то цепь оперативного тока РЗ должна заводиться через блокировочные контакты SQ главного выключателя, автоматически выводящие РЗ из действия при отключенном СК. Напряжение срабатывания реле минимального напряже- ния 0,41/ном, выдержка времени 8-10 с. 670
От TV а) t) Рис. 17.28. Защита минимального напряжения синхронного компенсатора: а — цепи напряжения; б — оперативные цепи Рис. 17.27. Схема включения в сеть синхронного компенсатора Защита от внешних КЗ на СК не ставится, так как пос- ле отключения источников питания СК теряет напряжение, снижает свои обороты и ток, посылаемый им в место КЗ, за- тухает. Защита от перегрузки. Длительная перегрузка СК возмож- на при продолжительном понижении напряжения, вызываю- щем действие регулятора напряжения и форсировку возбуж- дения СК. Для устранения этой перегрузки рекомендуется устанавливать специальное разгрузочное устройство, снижаю- щее ток возбуждения и отключающее регулятор. Кроме разгрузочного устройства можно устанавливать сиг- нализацию от перегрузки, осуществляемую, как и на генера- торе, при помощи одного токового реле. Вопросы для самопроверки 1. От каких повреждений и ненормальных режимов преду- сматриваются защиты на генераторе? 2. Как выполняется защита генератора от витковых замы- каний? 3. Почему при действии защит от внутренних повреждений в генераторе, помимо отключения выключателя, следует по- давать импульс на АГП? 4. Как выполняется защита от замыканий на землю гене- ратора, работающего на сборные шины, при использовании устройства ТНПШ? 671
5. Чем опасны токи обратной последовательности для мощ- ных генераторов? 6. Назначение и способы выполнения защит обратной после- довательности на генераторах. 7. Какие защиты предусмотрены на генераторе от внешних КЗ и перегрузок? 8. Принцип действия и особенности защиты от замыканий на землю генератора, работающего на сборные шины типа БРЭ 1301-03. 9. Какие защиты устанавливаются в цепи ротора генератора? Глава восемнадцатая ЗАЩИТА БЛОКОВ ГЕНЕРАТОР - ТРАНСФОРМАТОР И ГЕНЕРАТОР-ТРАНСФОРМАТОР-ЛИНИЯ 18.1. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ БЛОКОВ Блочные схемы находят широкое применение на мощных электростанциях: генератор - повышающий трансформатор (или АТ) и трансформатор собственных нужд (ТСН) (рис. 18.1). Находят также применение блоки генератор - повышающий трансформатор (или АТ) - ЛЭП. Наиболее распространены бло- ки один генератор - один двухобмоточный трансформатор (рис. 18.1, а-е). Подобные блоки присоединяются либо через один выключатель к двойной системе шин с обходной при на- пряжении стороны ВН 110-220 кВ, либо через два выключателя (рис. 18.1, б, г) к РУ напряжением 330 кВ и выше, выполненно- му по схемам: полуторной, многоугольника. Блока генера- тор - АТ (рис. 18.1, д) подключаются к РУ 500 кВ и выше через два выключателя, а к РУ 220 кВ - через один выключатель, который может заменяться обходным, либо через два выклю- чателя. На всех энергоблоках имеются ответвления на стороне гене- раторного напряжения для питания собственных нужд блока через реактор или рабочий ТСН, подключенный к блоку, как правило, без выключателя. При наличии выключателя в цепи генератора ответвление подключается между этим выключа- телем и трансформатором блока. Выключатели в цепи генера- тора необходимы на блоках с двумя генераторами (рис. 18.1, г) для синхронизации или отключения одного из них; на блоках 672
ио-ном но-ггокь но-ггочл Рис. 18.1. Схемы электрических соединений блоков генератор - трансформатор и генератор — автотрансформатор АЭС для обеспечения надежного питания собственных нужд при аварийных остановах блока; на блоках генератор - транс* форматор - ЛЭП для обеспечения питания собственных нужд от своего рабочего ТСН при пуске блока; на блоках с двумя ответ- влениями для питания собственных нужд и потребителей че- рез реактированную линию (рис. 18.1, в), для сохранения пита- ния потребителей при отключенном генераторе; на блоках ге- нератор - АТ (рис. 18.1, д) для сохранения перетока мощности между РУ ВН и СН. На блоках с турбогенераторами мощностью 800-1000 МВт вместо выключателей в цепи генератора также используются выключатели нагрузки QW (рис. 18.1, б) с отключающей спо- собностью, равной номинальному току генератора. Наличие генераторного выключателя или выключателя на- грузки позволяет выполнять пуск энергоблока не от пуско- резервного трансформатора собственных нужд, а от рабочего. Благодаря этому уменьшается количество резервных транс- форматоров собственных нужд, а также повышаются надеж- ность и маневренность электростанции, так как обеспечивает- ся возможность одновременного пуска нескольких энерго- блоков. Блоки большой мощности (150-800 МВт) объединяют в еди- ный агрегат не только генератор и АТ, но также котел и тур- бину. Такие блоки не имеют поперечных связей, позволяющих заменять один элемент блока (например, трансформатор или котел) аналогичным элементом другого блока. Поэтому повреж- дения или нарушения нормальной работы одного элемента 673
блока выводят из работы весь блок. В связи с этим при автома- тическом отключении электротехнического или теплотехни- ческого оборудования приходится автоматически останавли- вать весь блок. На генераторах, трансформаторах (или АТ) и ЛЭП, соединен- ных в один блок, устанавливаются те же РЗ, что и в случае их раздельной работы. Однако объединение в один рабочий агре- гат нескольких элементов большой мощности вызывает неко- торые отмеченные ниже особенности в требованиях к РЗ и в исполнении РЗ. Основные особенности выполнения РЗ на бло- ках следующие: 1) соединение в один блок нескольких элементов позволяет объединить однотипные РЗ этих элементов в одну общую РЗ. Общими обычно выполняются дифференциальные РЗ генера- тора и трансформатора, а также РЗ от сверхтоков при внешних КЗ и перегрузках; 2) отсутствие электрической связи между генератором и сетью, имеющее место в блочных схемах, облегчает решение вопросов селективности РЗ генератора от замыканий на зем- лю, но требует в то же время новых способов выполнения этой РЗ; 3) вследствие высокой стоимости мощных генераторов и трансформаторов блока к их РЗ от внутренних повреждений предъявляются повышенные требования в части чувствитель- ности, быстродействия и надежности; 4) на блоках без поперечных связей, все элементы которых объединены в единый агрегат, возникает необходимость действия электрических РЗ не только на выключатель и гаше- ние поля, но и на останов блока в целом, т. е. котла и турбины, так как полный сброс нагрузки является тяжелым режимом и вызывает опасность для теплотехнического оборудования. 18 ЗАЩИТЫ БЛОКА ГЕНЕРАТОР - ТРАНСФОРМАТОР На блоках устанавливаются, как обычно, основные защиты от всех повреждений элементов блока и резервные защиты, осуществляющие резервирование основных защит, а также вы- полняющие функции защит от сверхтоков, обусловленных внешними КЗ и перегрузками. Большое внимание при выполне- нии схем РЗ блоков уделяется вопросам надежности резерви- рования. С этой целью используется принцип раздельного 674
питания основных и резервных защит. Для этого основные и резервные защиты должны подключаться к разным обмот- кам трансформаторов тока и иметь независимые цепи, питаю- щие оперативную схему, включая устройства предохраните- лей и автоматов. Основные и резервные защиты должны иметь самостоятельные выходные промежуточные реле [57]. Защита от внешних КЗ и перегрузок Защита блока генератор - двухобмоточный трансформатор от внешних междуфазных КЗ осуществляется общей РЗ, кото- рая обычно подключается к ТТ, установленным со стороны ну- левых выводов статора генератора. Виды РЗ от сверхтоков и несимметричных режимов, применяемые на блоках, зависят от их мощности и системы охлаждения генераторов. На блоках малой мощности до 30 МВт включительно гене- раторы выполняются заводами с косвенной системой охлажде- ния. Эти генераторы допускают по условиям нагрева значи- тельные перегрузки, в том числе и в несимметричном режиме. В связи с этим на генераторах с косвенным охлаждением спе- циальных РЗ с действием на отключение при симметричных и несимметричных перегрузках не предусматривается. Токо- вая РЗ от перегрузки выполняется с действием на сигнал. В качестве РЗ от внешних КЗ применяется МТЗ с комбиниро- ванным пуском по напряжению. На блоках средней и большой мощности, имеющих непосред- ственную систему охлаждения генераторов, устанавливается три вида РЗ от перегрузок и внешних КЗ: от несимметричных перегрузок и КЗ, от симметричных перегрузок и КЗ, от КЗ на землю в сети ВН. Защита от несимметричных перегрузок и внешних КЗ осуще- ствляется МТЗ обратной последовательности, которая выпол- няется с выдержками времени, зависимыми от значения тока с возможно большим приближением к перегрузочной характе- ристике генератора. На блоках с генераторами, имеющими косвенное охлаждение обмоток, РЗ выполняется так же, как на генераторах, работающих на шины генераторного напряже- ния, токовыми реле с независимыми выдержками времени, действующими на сигнал и на отключение. На блоках с турбо- генераторами мощностью менее 160 МВт, имеющими непосред- ственное охлаждение обмоток, а также на блоках с гидрогене- 675
раторами мощностью более 30 МВт МТЗ выполняется со сту- пенчатой или зависимой характеристикой выдержки времени (см. рис. 17.19). Эта характеристика должна быть согласована с характеристикой допустимых перегрузок генератора тока- ми ОП. На блоках с турбогенераторами мощностью 160 МВт и более МТЗ ОП выполняется с помощью нескольких органов: сигналь- ного, интегрального с зависимой характеристикой, двух ступе- ней с независимыми выдержками времени (см. рис. 17.21). Настройка всех этих элементов должна обеспечить отключение генератора при внешнем несимметричном КЗ или несиммет- ричном режиме с временем, не превышающим допустимого значения по условиям нагревания ротора. Расчет уставок ин- тегрального органа не производится. Зависимая характеристи- ка реле РТФ-6М принимается согласно информации завода на реле и в соответствии с постоянной А защищаемого генератора. Защита от симметричных перегрузок и внешних КЗ выпол- няется с пуском от двух реле минимального напряжения: од- ного, подключенного к TH генератора, и второго, подключен- ного к TH стороны ВН. Благодаря применению последнего по- вышается чувствительность РЗ к повреждениям в сети ВН. Для повышения чувствительности к внешним симметричным КЗ на блоках большой мощности, работающих в сети с протя- женными ЛЭП, устанавливается одноступенчатая ДЗ, выпол- няемая с использованием одного PC в блок-реле типа КРС-2 или устройства БРЭ-2801 на ИМС. Чтобы ДЗ надежно охватыва- ла выводы генератора, применяется круговая или эллиптиче- ская характеристика PC, смещенная в III квадрант. Для пред- отвращения ложного срабатывания ДЗ при нарушениях в це- пях напряжения в схеме предусмотрена блокировка. Сопротив- ление срабатывания PC отстраивается от максимальной на- грузки при минимальном эксплуатационном напряжении: ZHarp = 0,95UHOM/( Уз. 1,51ном); 2с.з = Д1агр''Хэтс^вС05(£Рм.ч ~ Фн)' (18.1) (18.2) Так как ДЗ по условиям селективности имеет выдержку времени более 1,5 с, она выполняется без блокировки при ка- чаниях. На блоках с выключателем в цепи генератора устанав- ливается дополнительная МТЗ на ВН для резервирования 676
основных РЗ трансформатора блока при отключенном выклю- чателе генератора. МТЗ выполняется с реле тока, подключен- ными к соединенным в треугольник ТТ, встроенным в выво- ды ВН трансформатора, и одним реле времени. Данная МТЗ автоматически вводится в работу при отключении генератора. На мощных блоках тепловых электростанций и АЭС эта МТЗ не предусматривается, если имеется дополнительная резерв- ная дифференциальная РЗ блока. На блоках генератор - двухобмоточный трансформатор уста- навливается только одна РЗ от симметричной перегрузки, вы- полненная аналогично защите на генераторе. На блоках гене- ратор - трехобмоточный трансформатор или АТ устанавлива- ются две или три МТЗ от перегрузки на сторонах разного напря- жения. На таких блоках предусматривается также дополни- тельная МТЗ, для того чтобы обеспечить селективное отклю- чение выключателей при внешнем симметричном КЗ на сто- роне ВН или СН трансформатора (АТ). Защита от КЗ на землю в сети ВН осуществляется с помощью МТЗ НП, которая выполняется с помощью токовых реле, под- ключенных к ТТ в цепи заземления нейтрали трансформатора, и реле времени (рис. 18.2). На блоках, трансформаторы которых постоянно работают с глухим заземлением нейтрали, МТЗ выполняется с двумя токовыми реле, каждое из которых с первой выдержкой времени действует на отключение выключа- телей стороны ВН, а со второй - на полное отключение и оста- нов блока. Токи срабатывания этих МТЗ согласуются с устав- ками РЗ ЛЭП, отходящих от шин ВН. Предусматривается уско- рение действия чувствительной МТЗ НП в случае возникнове- ния неполнофазного режима из-за отказа одной или двух фаз выключателя ВН при операциях по его включению-отклю- чению. Ускорение МТЗ НП позволяет отключить блок с неис- правным выключателем, до того как подействуют РЗ парал- лельно работающих блоков и ЛЭП. Ускорение осуществляет- ся с помощью устройства ’’непереключения фаз”, срабатываю- щего, если одна или две фазы выключателя из трех остаются включенными. Если после срабатывания ускоренной МТЗ НП одна или две фазы выключателя не отключатся, запустится УРОВ и отключит выключатели, подключенные к той же си- стеме шин. Ток срабатывания более чувствительного токового реле НП, ускоряемого в неполнофазном режиме, должен удов- 677
летворять следующему условию: кз > 0,4/ном.т/1,2. (18.3) С целью уменьшения токов КЗ на землю на шинах 110-220 кВ электростанций нейтрали части трансформаторов разземляют- ся. При этом МТЗ НП усложняется, так как на нее возлагается дополнительная задача предотвратить повреждения трансфор- маторов, работающих с незаземленной нейтралью, при отклю- чении внешнего однофазного КЗ. Для этого предусматривает- ся специальная РЗ НП, обеспечивающая отключение блоков с незаземленной нейтралью раньше, чем блоков с заземленны- ми нейтралями. Для фиксации наличия внешнего однофазно- го КЗ на землю в РЗ блоков, нейтрали которых разземлены, используется специальное реле напряжения НП, подключен- ное к TH стороны ВН, или сигнальный элемент токовой МТЗ ОП. Для предотвращения ложного срабатывания рассматриваемых РЗ ’’плюс” оперативного тока подается на них при срабатыва- нии чувствительного токового реле МТЗ НП любого из блоков, трансформаторы которых работают с заземленной нейтралью. Выдержка времени рассматриваемой РЗ блока, трансформатор которого работает с изолированной нейтралью, должна быть меньше, чем выдержка времени МТЗ НП блока, трансформатор которого работает с заземленной нейтралью. Рис. 18.2. Схема защиты от КЗ на землю в сети ВН Рис. 18.3. Структурная схема, поясняющая последовательность действия резер- вных защит блоков генератор - двухобмоточный трансформатор 678
Действие резервных защит. Рассмотренные выше резервные РЗ должны действовать на деление шин на стороне ВН и на отключение блока. Действие резервных РЗ на отключение блока двухступенча- тое. С выдержкой времени первой ступени, большей, чем при делении шин, резервные РЗ действуют на отключение блока от сети, осуществляя дальнее резервирование. С выдержкой времени второй ступени резервные РЗ действуют на полный останов блока, отключение выключателей, гашение поля ге- нератора и возбудителя и на останов технологического обору- дования блока. При этом на сдвоенных блоках резервные РЗ каждого блока действуют на останов технологического обору- дования обоих блоков. На рис. 18.3 в качестве примера показано действие резервной защиты блока G1. При возникновении КЗ с первой выдержкой времени отключается шиносоединительный выключатель Q3, что осуществляет деление шин. Если КЗ продолжается, то за- щита действует со второй выдержкой времени t2 на отключение выключателя блока Q1. Если же прохождение тока не прекра- тилось (повреждение в блоке) и основные защиты не сработали, дается команда с выдержкой времени t3 на полный останов блока. На блоках с трехобмоточным повышающим трансформато- ром (АТ) (рис. 18.1, д, 18.4) кроме РЗ 1 от внешних КЗ на генера- Рис. 18.4. Структурная схема, пояс- няющая последовательность дейст- вия резервных защит блоков гене- ратор — трехобмоточный трансфор- матор 679
торе устанавливаются дополнительно РЗ 2 и 3 на обмотках СН и ВН трансформатора (АТ) для селективного отключения КЗ на шинах и ЛЭП, питающихся от этих обмоток. При наличии питания со всех сторон трансформатора (АТ) для селективно- го отключения КЗ релейную защиту одной из обмоток следует выполнять направленной. В целях упрощения на блоках с трехобмоточными трансформаторами (АТ) можно не устанав- ливать РЗ 2 на стороне ВН, как показано на рис. 18.4, используя вместо нее РЗ генератора (7, которая в этом случае выполняется с двумя выдержками времени (tt и t2). На сдвоенных блоках с выключателями на каждом генера- торе РЗ от внешних симметричных и несимметричных КЗ и перегрузок устанавливается на обоих генераторах. На каждом трансформаторе блока предусматривается МТЗ НП от КЗ на землю в сети ВН. Эти РЗ имеют две выдержки времени и дей- ствуют с меньшей выдержкой на отключение выключателя блока, а с большей - на отключение своего генератора. Кроме того, на сдвоенных блоках рекомендуется ставить дополни- тельную МТЗ для резервирования дифференциальной РЗ транс- форматора в режиме, когда генератор этого трансформатора отключен. В этом режиме резервная РЗ своего генератора не будет работать, а РЗ спаренного блока нечувствительна к КЗ на стороне НН трансформатора первого блока. Защита выполня- ется в виде двухфазной МТЗ. Нормально эта РЗ отключена, так как она может неправильно работать при перегрузках и качаниях. Защита вводится в работу автоматически в режиме, когда один из генераторов блока отключен. Эта операция вы- полняется с помощью трехфазного токового реле, реагирую- щего на исчезновение тока в трех фазах генератора. Защита от повышения напряжения На блоках с гидрогенераторами РЗ от повышения напряже- ния выполняется по § 17.6. Защита от повышения напряжения устанавливается также на блоках с турбогенераторами 160 МВт и более. Необходимость применения такой РЗ в последнем случае обусловлена возможностью даже при сравнительно не- большом повышении напряжения, опасного усиления нагрева магнитопроводов генератора и трансформатора, работающих в связи с интенсивным использованием стали уже в нормаль- ных режимах при значениях магнитной индукции, близких к 680
Рис. 18.5. Защита от повышения напряжения блоков турбогенератор — трансфор- матор: а — цепи напряжения; б - структурные схемы размещения токовых реле и цепи оперативного тока началу насыщения. Опасное повышение напряжения воз- можно в режиме холостого хода блока или при внезапном от- ключении блока от сети. В первом случае повышение напря- жения возможно из-за увеличения возбуждения вследствие ошибочных действий персонала или работы регулятора воз- буждения, во-втором - из-за увеличения частоты вращения машины, исчезновения тока нагрузки и отказа в работе регу- лятора возбуждения. Уставка срабатывания РЗ, выполняемой с одним реле, вклю- ченным на междуфазное напряжение TH генератора, принима- ется равной 1,2(7КОМ. Защита не имеет выдержки времени и может действовать только при работе генератора на холостом ходу (на гашение поля генератора). При работе блока на на- грузку РЗ автоматически выводится из действия с помощью трехфазных токовых реле, размыкающих свои контакты при появлении тока. Эти реле устанавливаются для использования в схемах УРОВ в целях контроля наличия тока в выключате- лях. При переходе генератора в режим холостого хода РЗ ав- томатически вводится в действие с выдержкой времени поряд- ка 3 с, перекрывающей длительность кратковременного повы- 681
шения напряжения на генераторе после его отключения от сети. В схеме РЗ, применяемой на блоках с выключателем в це- пи генератора (рис. 18.5), реле КА2 и КАЗ вводят защиту в дей- ствие при отключенном выключателе в цепи генератора. При включенном положении этого выключателя и отключении выключателя (или двух выключателей) на стороне ВН реле КА2 и КАЗ при повышении напряжения могут разомкнуть свои контакты из-за значительного возрастания тока намагни- чивания трансформатора блока. Для ввода РЗ в действие в этом случае предусмотрено использование реле КА1. При от- сутствии выключателя в цепи генератора в схеме РЗ должно предусматриваться лишь токовое реле, установленное на сто- роне ВН. Дифференциальная защита на блоках генератор - трансформатор Дифференциальная защита блока. Для защиты от КЗ в гене- раторе и трансформаторе блока устанавливается общий комп- лект дифференциальной РЗ, охватывающий генератор и транс- форматор, как это показано на рис. 18.6. На блоках с ответвле- нием к ТСН без выключателя (рис. 18.6, а) дифференциальная РЗ блока выполняется по упрощенной схеме без ТТ на ответ- влении. В этом случае при КЗ в ТСН или в питающейся от него сети в реле РЗ появляется ток 1к отв, равный сумме токов, по- ступающих от генератора и энергосистемы. Чтобы избежать не- селективной работы РЗ, ее ток срабатывания выбирается боль- шим, чем максимальное значение тока /к отв = 1к2тах ПРИ КЗ за ТСН (в точке К2): ^с.з ^отс ^К2 max • (18.4) При КЗ в трансформаторе СН дифференциальная РЗ блока приходит в действие, если /к.отв > /с>3. Таким образом, транс- форматор СН частично входит в зону дифференциальной РЗ блока. Условие (18.4) является дополнительным, кроме того, дифференциальная РЗ блока, как и любая дифференциальная РЗ трансформатора, должна отстраиваться от /нб max и от броска намагничивающего тока согласно § 16.8. Дифференциальная РЗ блоков выполняется с помощью реле типа РНТ-565 или 682
Рис. 18.6. Структурные схемы выполнения дифференциальных защит блоков генератор — трансформатор РНТ-566 (с БНТ, но без торможения). Для повышения чувстви- тельности РЗ на крупных блоках следует применять диффе- ренциальные реле с торможением типа ДЗТ-11 или ДЗТ-21. При этом, если не будет выполнено условие (18.4), ТСН должен быть исключен из зоны действия дифференциальной РЗ бло- ка, как показано штриховыми линиями на рис. 18.6, а, на кото- ром к токовым цепям ДЗТ подключена цепь от ТТ, установлен- ного на ТСН. Независимо от схемы соединения токовых цепей дифференциальной РЗ блока и ее чувствительности на ТСН устанавливаются действующая на отключение блока (при от- сутствии выключателя на ответвлении) собственная диффе- ренциальная РЗ, а также газовая защита и МТЗ. Дифференциальная защита генератора. На генераторе бло- ка, имеющем непосредственное охлаждение обмоток, преду- сматривается отдельная продольная дифференциальная РЗ: для генераторов типов ТВФ-60 и ТВФ-100 с реле типа РНТ, а для генераторов мощностью 160 МВт и более - с реле типа ДЗТ-11/5, имеющим торможение (рис. 18.6, б, е). При наличии дифференциальной РЗ генератора дифференциальная РЗ 683
блока является резервной быстродействующей защитой для генератора. Такое усложнение и дублирование РЗ генераторов считают оправданными, учитывая большую мощность генера- тора и обусловленную этим его высокую стоимость. Если гене- ратор подключен через выключатель, на отключение которого действует дифференциальная РЗ генератора, дифференциаль- ную РЗ блока выполняют с выдержкой времени 0,3 с. Как видно из рис. 18.6, б, при установке дифференциальных РЗ генератора и блока на нулевых выводах генератора необходимо устанав- ливать два ТТ, поскольку для раздельного питания двух диф- ференциальных и одной резервной РЗ от внешних КЗ требует- ся три самостоятельных сердечника ТТ. На генераторах 300 МВт и более установка двух ТТ со стороны нулевых выводов обмо- ток статора генератора затруднена по конструктивным причи- нам. В таких случаях в нуле генератора устанавливается один ТТ (рис. 18.6, в), от обмоток которого питаются дифференциаль- ные РЗ блока и генератора 1 и 2, а резервная РЗ 4 от внешних КЗ подключается при этом к ТТ, установленным на фазных выводах. Дифференциальная защита повышающего трансформатора. При наличии на генераторе выключателя или выключателя на- грузки (рис. 18.6, в) на повышающем трансформаторе устанав- ливается самостоятельная дифференциальная РЗ 3. Со сто- роны ВН дифференциальную РЗ трансформатора (блока) мож- но включить на ТТ, встроенные в выводы трансформатора блока. При этом для зашиты ошиновки между выключателями на стороне ВН и трансформатором блока должна быть установ- лена отдельная дифференциальная РЗ. Продольная диффе- ренциальная РЗ трансформатора обычно выполняется с по- мощью высокочувствительного реле типа ДЗТ-21, ток срабаты- вания которого принимается равным (0,3 - 0,4)1ном (см. § 16.8). Защита от повреждения вводов 500-1150 кВ трансформаторов Повреждение вводов 500 кВ трансформатора (АТ) часто со- провождается взрывом, в результате которого возникает по- жар трансформатора (АТ), причиняющий большие разрушения. Для трансформаторов (АТ) применяется РЗ, реагирующая на повреждение изоляции вводов, позволяющая обнаружить его в начальной стадии и предотвратить тяжелую аварию. 684
Рис. IS.7. Защита от повреждения вводов 500 и 1150 кВ трансформа- торов: а - схема ввода; б— схема за- щиты Защита основана на использовании конструктивных особен- ностей бумажно-масляных вводов, которые состоят из концент- рических слоев пропитанной маслом бумажной изоляции 1, охватывающей токоведущий стержень (рис. 18.7, а). Для равно- мерного распределения напряженности электрического поля внутри ввода через определенное количество слоев изоли- рующей бумаги закладываются листы алюминиевой фоль- ги 3. При такой конструкции каждые два соседних листа фоль- ги с изоляцией между ними образуют конденсатор, а ввод в целом представляет последовательно включенные емкости между токоведущим стержнем 2 и фланцем 4. Под действием приложенного фазного напряжения протекает емкостный 685
ток, значение которого определяется суммарной емкостью ввода. При повреждении изоляции ввода часть емкостей шунтиру- ется, и значение емкостного тока возрастает. Схема токовых цепей РЗ ввода показана на рис. 18.7, б. Измерительные орга- ны РЗ (токовые реле КА1 и КА2) включены на сумму емкост- ных токов трех фаз через промежуточный согласующий транс- форматор TL и промежуточные трансформаторы тока ТА2 и ТАЗ, В нормальном режиме через токовые реле проходит ток небаланса, обусловленный неравенством фазных напряжений и наличием в токе составляющих третьей гармоники. Для уменьшения тока небаланса в первичной обмотке предусмот- рены ответвления, с помощью которых можно уравнять МДС, создаваемые током Iq каждой фазы, и уменьшить ток небалан- са. В шкафу согласующего трансформатора TL расположены также разрядники FV1, FV2, FV3 и шунтирующие, заземляющие рубильники QR1, QR2, QR3. Первое, более чувствительное реле КА1 срабатывает при по- нижении уровня изоляции и дает сигнал оперативному пер- соналу, который обязан после получения сигнала каждые 15 мин записывать показания миллиамперметра. В случае про- грессирующего повреждения оперативный персонал обязан отключить трансформатор (АТ) с дефектным вводом, не дожи- даясь действия отключающего элемента КА2. Это реле действу- ет на отключение через реле времени КТ2, на котором устанав- ливается t = 1,2-s- 1,3 с. Защита генераторов блоков от замыканий на землю Токи и напряжения нулевой последовательности, появляю- щиеся на генераторной стороне блоков при замыканиях на зем- лю. Для рассмотрения возможных принципов выполнения РЗ необходимо представлять значения токов и напряжений НП, появляющихся в цепях генераторного напряжения блоков во время замыканий на землю за трансформатором блока - в сети ВН и в самом генераторе - на стороне НН. При этом необходимо учитывать две особенности блочных схем: в нашей стране блочные генераторы работают на сеть с изолированной или с заземленной через дугогасящий реактор нейтралью; генера- торы блоков связаны с сетью ВН через повышающий трансфор- матор. При такой схеме генератор не имеет электрической свя- 686
Рис. 18.8. Прохождение тока в элементах блока генератор — трансформатор при замыканиях на землю в генераторе и в сети: а - полная схема замещения блока; б — схема замещения нулевой последо- вательности для одной фазы блока при замыкании на землю на стороне ВН (в точке К2); в - схема замещения нулевой последовательности для одной фазы при замыкании на землю на стороне генераторного напряжения (в точке К1); г — зависимость Uo и 1э от числа замкнувшихся на землю витков обмотки статора зи с сетью ВН, он связан с ней посредством электромагнитной индукции между обмотками трансформатора и электростати- ческой индукции через емкость СТ1 между этими же обмотками (рис. 18.8, а). Емкость СТ1 очень мала, она зависит от мощности и напряжения трансформаторов и составляет примерно 0,008- 0,004 мкФ. Поэтому сопротивление межобмоточной связи Хсв = ~ l/wCT1 получается значительным, а протекающий через него ток очень малым. При замыкании на землю в сети ВН (например, в точке К2 на рис. 18.8, а) в месте повреждения, как известно (см. § 9.1), возникает напряжение НП При металлическом замыка- нии на землю в сети с глухозаземленной нейтралью С7оК2 = = 17ф/Э, где С7ф - фазное напряжение сети ВН. Под действием Пок2 в цепи каждой фазы генератора возни- кает ток /ог, замыкающийся через землю по контуру, образо- ванному емкостью СТ1 между обмотками трансформатора и суммарной емкостью на землю Cv элементов сети генератор- ного напряжения; Сто (обмоток трансформатора); емкостью Сс (токоведущей цепи между трансформатором и генератором); емкостью Сг (обмоток генератора) одной фазы. 687
Эквивалентная схема этого контура показана на рис. 18.8, б. Из схемы видно, что 70Г = Ц>к2/(ХТ + ^oS)» а напряжение НП на стороне генератора блока Uor = 1ОГХС%, здесь Хт = 1/аСТ1, а Хо£ = l/(Gr0 + Сс + Q)i*); Хг » Xoj, вследствие этого напряже- ние Uor очень мало и составляет (1 — 3)% И7ф. Поскольку абсо- лютное значение (Хт + Хо^) велико, 10г измеряется долями ампера. Таким образом, в блочных схемах 170г и IQr при замыка- ниях на землю в сети ВН во много раз меньше, чем при замы- кании в генераторе. При замыкании на землю в генераторе блока (например, К1 на рис. 18.8, а) в месте замыкания появля- ется напряжение НП Uoki = аЦф.Г} где а - число замкнувших- ся на землю витков обмотки генератора, отн. ед. Если замыка- ние возникло в сети генераторного напряжения или на выводах обмотки генератора, то а = 1 и г. Из вышеизложенного следует, что в блочных схемах для выявления замыкания на землю в обмотке статора генератора можно использовать появление напряжения нулевой последо- вательности (70г (или тока I ), поскольку их значения при повреждении в сети ВН вне генератора очень малы по сравне- нию со значениями при К3 ’ в генераторе. Поскольку UqK1 пропорционально а, то и I = а. При измене- нии а от 0 до 1 напряжение Uor меняется от 0 до (70г/ПйХ s г и ток в месте замыкания 13 = 3/0 меняется от 0 до максималь- ного значения, определяемого величиной U, ; I = 31 = -3^r(l/XTo + l/Xc + l/Xr). ф-г Характер зависимости £70Г и 13 от а показан на рис. 18.8, г. Из него следует, что значения емкостей элементов сети генера- торного напряжения невелики, поэтому ток в месте замыкания на землю I3 = 310 относительно мал. Максимальное значение 73 = = 310 достигает 5-15 А, а 317ог достигает значения напряжения фазы. Защита и ее принцип действия. В России широко применя- ется РЗ, реагирующая на появление Uo на зажимах генератора. Схемы РЗ приведены на рис.18.9. Защита состоит из реле напря- жения KV, реагирующего на 3U0 и с выдержкой времени дей- ствующего на сигнал или на отключение энергоблока. Реле напряжения KV включается на фильтр напряжения НП, в ка- честве которого служит TH с соединением первичной обмотки в звезду, а вторичной - в разомкнутый треугольник. В нор- мальных условиях напряжение 3U0 = 0. Однако из-за погреш- ности TH и наличия третьих гармоник в напряжении на зажи- 688
Рис. 18.9. Защита от замыканий на землю генератора при работе его по блочной схеме: а — с трансформатором напряжения на выводах генератора; б - с трансформа- тором напряжения в нейтрали генератора; в — с двумя комплектами защиты и включением пусковых реле через фильтр третьей гармоники мах разомкнутого треугольника появляется напряжение не- баланса: (7Нб ~ <7нбтн + ^оз- При внешних КЗ на землю в сети ВН за трансформатором блока {7нб может увеличиться. Напряже- ние срабатывания реле KV должно удовлетворять условию ^с.з>^нб. (18-5) При замыкании на корпус обмотки генератора появляется напряжение С70г = (Шф,г. Защита приходит в действие при ус- ловии 3(7ОГ > UC3. Таким образом, рассмотренная РЗ имеет зону нечувствительности (мертвую зону) - она не действует, если (7С.3 > 3U0 = ах17с>г. Здесь ах - число витков, при которых напря- жение 31/ог недостаточно для действия РЗ, в процентах от пол- ного числа витков обмотки фазы ах = С7сл/1/ф. Для повышения чувствительности РЗ на мощных генерато- рах 300 МВт и более реле напряжения целесообразно включать через фильтр, не пропускающий напряжение третьих гармо- ник. Подобная схема осуществляется с помощью реле напряже- ния KV2, включаемого через фильтр, как показано на рис. 18.9, в. При напряжении 3U0 и частоте 50 Гц реле действует при 4-8 В, а при частоте 150 Гц (третья гармоника) загрубляется примерно в 8 раз. Наличие фильтра позволяет снизить уставку реле на- пряжения. Для большей надежности из-за опасения появле- 689
ния феррорезонансного повышения напряжения в схеме пре- дусмотрено реле времени, позволяющее отстроиться от внеш- них КЗ на землю с выдержкой времени, которая принимается на ступень At больше времени действия tn РЗ ЛЭП от КЗ на землю: t3 = tn + At * 1 - 1,5 с. (18.6) На мощных генераторах 200 МВт и более РЗ выполняется с действием на отключение. Двухступенчатая РЗ для мощных блоков с действием на сигнал и на отключение показана на рис. 18.9, в. Реле KV1, включенное непосредственно на обмот- ку TH, действует на сигнал, a KV2 (РНН-57), включенное через фильтр,-на отключение. Вольтметр служит для контроля за исправностью цепей TH, контроля за изоляцией обмоток ста- тора и определения числа замкнувшихся витков при действии РЗ на сигнал. Защита будет действовать при замыканиях на землю не только в обмотках генератора, но и на всех элементах генераторного напряжения (обмотках генераторного напряже- ния трансформаторов блока и соединительных связях между ними и генератором). Выбор уставок. На основании опыта эксплуатации в схемах без фильтра третьей гармоники принимается 10-15 В, а в схемах с фильтром 4-6 В. Время действия выбирается по (18.6). РЗ характеризуется процентом витков обмотки статора а, не попавших в зону РЗ, или, иначе говоря, зоной нечувстви- тельности РЗ, называемой мертвой зоной. Защита не работа- ет, если напряжение ЗЦ, < VZ 3. Чем ближе к нейтрали возник- ло повреждение, тем меньше напряжение 3L'O (см. рис. 18.8, г), поэтому мертвая зона РЗ располагается вблизи нейтрали гене- ратора: »м.з = ^.3 • 100%/Рф. (18.7) Зона нечувствительности может находиться графическим способом, как показано на рис. 18.8, г. Для уменьшения мерт- вой зоны необходимо уменьшать 1/сз, минимальное значение которого ограничивается l/Hg. Защита, не имеющая зоны нечувствительности (мертвой зоны). На мощных генераторах с непосредственным охлажде- нием имеется повышенная возможность повреждения изоля- 690
ции и появления замыкания на землю в любой точке обмотки статора, в том числе и вблизи нейтрали генератора. Если РЗ не реагирует на эти повреждения, то с течением времени они переходят в витковые замыкания, а затем в междуфазные КЗ, которые обычно сопровождаются значительными разруше- ниями. По этой причине для мощных и дорогостоящих гене- раторов 200 МВт и более признано необходимым применять РЗ от замыкания на землю, не имеющую мертвой зоны. Разра- ботанная во ВНИИЭ и применяемая в эксплуатации РЗ типа БРЭ-1 без зоны нечувствительности. Защита состоит из двух комплектов К1 и К2, первый из которых реагирует на основную гармонику напряжения НП и защищает 75-90% витков (счи- тая от линейных выводов генератора), а второй - на напряже- ние третьей гармоники, он предназначен для работы при воз- никновении повреждений в зоне нечувствительности первого комплекта (рис. 18.10, а). Испытания и расчеты показывают, что в современных мощных генераторах ЭДС третьей гармоники составляет 1-3% фазной ЭДС генератора. Первый комплект К1 (реле напряжения основной гар- моники) выполнен по схеме, аналогичной приведенной на рис. 18.9, а. Измерительный орган этого комплекта включен на TH TV1, установленном на линейных выводах генератора, через фильтр, пропускающий только основную гармонику Uki = Ц>- Второй комплект К2 (реле с торможением) содержит два контура - рабочий и тормозной. На вход рабочей цепи пода- ется сумма векторов напряжений - модуль |ПВ + Т'н| на вход цепи торможения - напряжение 11/и | • Второй комплект по существу представляет собой PC, реагирующее при замыкании на землю на результирующее сопротивление обмотки статора со стороны нейтрали по отношению к земле, измеряемое с помощью составляю- щих третьей гармоники напряжения НП. Этим комплектом защищаются при- мыкающие к нейтрали 30—40% части обмотки статора, включая нейтраль. Вто- рой комплект реагирует иа отношение модулей напряжений третьих гармо- ник: |uH3|/|h7b3 + UH3|=Z№, (18.8) где UH3 и UB3 - напряжения третьей гармоники в нейтрали и на выводах ге- нератора соответственно; — относительное сопротивление в нейтрали N генератора, на которое реагирует комплект РЗ К2. 691
п Рис. 13.10. Защита от замыканий на землю генератора, не имеющая зоны не- чувствительности: а - схема подключения комплектов KI, К2; б — схема замещения; в - рас- пределение напряжения третьей гармоники вдоль обмотки статора в нормаль- ном режиме; г — то же при замыкании на землю нейтрали генератора; С — ем- кость генератора; Ст — емкость шин генераторного напряжения и обмоток трансформаторов блока и СН; Rn — переходное сопротивление в месте замыка- ния; Е3 - ЭДС третьей гармоники; UB, 17н - напряжения третьей гармоники на выводах генератора и на нейтрали; Uc - напряжение третьей гармоники на емкости обмотки генератора Рассматривая схемы замещения (рис. 18.10, б, в), можно показать, что выра- жение (18.8) пропорционально отношению сопротивления Z^, измеренного со стороны нейтрали генератора между точкой N и землей, к удвоенному сопро- тивлению Zc обмотки генератора относительно земли: ZN Zn* = Устройство (рис. 18.10, а) предусматривает раздельную сиг- нализацию срабатывания исполнительных реле комплектов 692
KI, K2: выход 1-Кз\ удаленное от нейтрали; выход II - К^ вблизи нейтрали. В нормальном режиме векторы напряжений третьих гармо- ник по концам обмотки статора со стороны нейтрали UH и вы- водов генератора Us равны по значению и находятся в противо- фазе, потенциал напряжения третьей гармоники в середине обмотки генератора равен нулю (рис. 18.10, б, в). При этом в рабочем контуре суммарное напряжение |ltb + (Ун| близко к нулю, и напряжение тормозного контура надежно удерживает реле от срабатывания: ZC3 < При металлическом замыкании в нейтрали генератора TV2 оказывается зашунтированным (рис. 18.10, г). В этом случае напряжение UH — 0, в результате чего Z^ = 0, и второй комп- лект приходит в действие, так как Z^ < 2С.Э. При удалении точ- ки замыкания на землю от нейтрали N сопротивление Z^ уве- личится и приблизительно при а > 50% второй комплект пере- станет действовать, так как Z^ станет больше Zc э. Но при таком повреждении работает первый комплект РЗ. Во ВНИИЭ разработан второй вариант защиты с использова- нием составляющих третьей гармоники БРЭ-1301.02 (ЗЗГ-1.2). Он основан на различии скорости изменения напряжения третьей гармоники (Увэ при изменении нагрузки и при воз- никновении замыкания на землю. В первом случае изменение напряжения происходит относительно медленно, а во вто- ром - быстро (и защита срабатывает). Это объясняется разли- чием постоянных времени, определяющих скорость изменения электрических величин в переходном режиме. Измеритель- ный орган защиты выполняется в виде реле, реагирующего на скорость изменения С/вз, или иначе говоря, на производ- ную dl/B3/dt. Как и в предыдущем случае, защита состоит из двух комплек- тов: блока, реагирующего на 3[7О, и блока третьей гармоники, реагирующего на dUB3/dt. Оба комплекта включаются на TH, установленный на выводах генератора. TH в нейтрали генера- тора не требуется (рис. 18.10, а). Следует отметить, что РЗ типа ЗЗГ-1.2 неэффективна при отсутствии переходного процесса (например, при постепенном снижении уровня изоляции обмотки статора или при подъеме с нуля напряжения на поврежденном генераторе). Учитывая это, для генераторов большой мощности предпочтительнее РЗ ЗЗГ-1.1. 693
В ряде энергосистем применяются защиты от замыкания на землю в генераторе, реагирующие на наложенный на цепь ста- тора постоянный ток. При замыкании на землю в обмотке ста- тора или снижении уровня изоляции наложенный ток увели- чивается, что приводит к срабатыванию защиты. Разработана также защита от замыкания на землю в обмотке статора генера- тора, выполняемая с использованием второй гармоники тока, наложенного на цепь статора. В целях совершенствования за- щит генератора от замыкания на землю разработки в этой об- ласти продолжаются. Защита от потери возбуждения На блоках с турбогенераторами мощностью 160 МВт и более, имеющими непосредственное охлаждение проводников, и с гидрогенераторами предусматривается защита от асинхрон- ного режима с потерей возбуждения. Для турбогенераторов мощностью 800 МВт и более асинхронный режим недопустим, и при потере возбуждения турбогенераторы должны отключать- ся от сети. Генераторы меньшей мощности могут кратковре- менно работать в асинхронном режиме, РЗ при этом должна действовать на сигнал. Учитывая, что снижение в асинхронном режиме напряжения статора может вызвать нарушение рабо- ты электродвигателей и механизмов собственных нужд, целе- сообразно при напряжении, меньшем 70% номинального, пере- водить питание собственных нужд на резервный источник. В ряде случаев асинхронный режим мощных генераторов может оказаться недопустимым из-за глубокого снижения напряжения в сети, обусловленного дефицитом реактивной мощности в данном районе энергосистемы. В подобных случаях генератор также должен быть отключен. Защита генераторов от потери возбуждения выполняется с помощью направленного реле сопротивления, имеющего круговую характеристику, показанную на рис. 18.11. В нормальном режиме работы, когда генератор выдает в сеть активную и реактивную мощности, вектор полного со- противления на выводах генератора ZH обычно располагается в I квадранте комплексной плоскости сопротивлений. Так как при потере возбуждения генератор потребляет из сети зна- чительную реактивную мощность и продолжает нести актив- ную нагрузку, вектор полного сопротивления перемещается в IV квадрант (Z^p на рис. 18.11). Для того чтобы обеспечить 694
Рис. 18.11. Характеристика зашиты генера- тора от потери возбуждения при этом фиксацию возникновения асинхронного режима, характеристика направленного реле сопротивления размеща- ется в III-IV квадрантах, как показано на рис. 18.11. Релейная защита генераторов от потери возбуждения выпол- няется с помощью одного из реле сопротивления, входящего в комплект КРС-2. В последние годы для этой цели использу- ется разработанный ВНИИР и выпускаемый ЧЭАЗ блок реле сопротивления типа БРЭ-2801, выполненный на современной микроэлектронной базе. Защиты ротора генератора блока выполняются аналогично случаю работы генератора на сборные шины. Предусматривают- ся защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуж- дения типа КЗР-З и защита ротора от перегрузки током возбуж- дения типа РЗР-1М-УЗ (см. § 17.7). Взаимодействие с технологическими защитами блока Выше отмечалось, что основные элементы блока: котел, турбина, генератор, трансформатор - представляют единое целое. Отключение повышающего трансформатора или генера- тора означает прекращение работы блока и нарушение режи- ма работы турбины и котла. В зависимости от причин отключе- ния электрооборудования блока и возможности его обратно- го включения возможен перевод тепловой части блока в один из двух режимов: 1) полного останова турбины и погашения котла; 2) перевода блока на холостой ход. При повреждении генератора и повышающего трансформа- тора дальнейшая работа блока невозможна, поэтому РЗ от 695
внутренних повреждений генератора и повышающего трансфор- матора должны воздействовать через цепи технологических защит на останов турбины и погашение котла. При отключении блока вследствие КЗ в сети или перегрузки генератора целе- сообразен перевод турбины и котла в режим холостого хода, так как в этих случаях должны приниматься меры к быстрому включению блока в сеть. В соответствии с этим первые ступе- ни РЗ от внешних КЗ (действующих на отключение выключа- теля блока) должны одновременно воздействовать на перевод тепловой части блока в режим холостого хода. При неисправностях технологического оборудования в ряде случаев требуется останавливать турбину и отключать генера- тор от сети. Многие технологические защиты, срабатывая, действуют на закрытие стопорных клапанов турбины, вспомо- гательные контакты которых воздействуют на отключение генератора и гашение его поля. При этом во избежание разгона и разрушения турбины в случае неплотного закрытия стопор- ного клапана отбора пара или обратного клапана отбора пара (на теплофикационных турбинах) действие на отключение генератора и гашение поля контролируется с помощью контак- та реле обратной мощности, замыкающегося, когда активная мощность начинает поступать из сети в генератор (после пре- кращения подачи пара в турбину). Другим способом предотвра- щения разгона турбины является задержка подачи команды на отключение генератора с помощью специального реле вре- мени, срабатывающего при закрытии стопорных и обратных клапанов отбора пара. За время срабатывания реле времени, на котором устанавливается выдержка времени, соответствую- щая допустимой длительности беспарового режима турбины (2-4 мин), происходит автоматическое закрытие главной паро- вой задвижки, что снижает вероятность разгона турбины. Для общего представления о выполнении РЗ мощных бло- ков на рис. 18.12 дана упрощенная принципиальная схема це- пей переменного тока и напряжения защиты блоков мощностью 300, 500, 800 МВт. Все ранее рассмотренные защиты условно представлены в виде прямоугольников. Здесь: 1 (KAW) - продольная дифференциальная защита ге- нератора (ДЗТ-11/5); 2(KAZ1) - поперечная дифференциальная защита ге- нератора (РТ-40/ф); 696
Рис. 18.12. Упрощенная принципиальная схема релейной защиты блока генера- тор - трансформатор (цепи переменного тока и напряжения) 697
3 (AKD2) 4 (AKV1) 5 (KSG) 6(AKD1) 7(KA9) 8(AKJ1) 9 (AKZ1) 10(KA4,5) 11 (KA7, KA8)-, 12 (KAI)-, 13 (KV2) 14 (KAT) 15(KV1) 16(KVZ1) 17 (АКТ) 18 (AKE 1) 19 (AKJ2) 20 (AKB1) 21 (AKB2) дифференциальная защита трансформатора (ДЗТ-21); защита от замыканий на землю в обмотке статора генератора с 100%-ной зоной дейст- вия (БРЭ 1301-01); - газовая защита трансформатора; резервная дифференциальная защита блока (ДЗТ-21); - защита от симметричных перегрузок (РТВК-2 или РСТ-13-24); - защита от несимметричных перегрузок и внешних КЗ (РТФ-6М); - I - защита от симметричных внешних КЗ (РС1, БРЭ-2801); II - защита от потери воз- буждения (РС2, БРЭ-2801); резервная двухступенчатая защита от внеш- них КЗ на землю в сети ВН (РТ-40); - защита от повышения напряжения; одно- временно реле 11, 12 выполняют функции УРОВ на генераторе и на стороне ВН блока (РТ-40/Р, РН-58/200); дифференциальная защита ошиновки (РНТ-565); контроль изоляции со стороны обмотки НН трансформатора (РН-53/60Д); сигнализация появления напряжения об- ратной последовательности на генераторе (РНФ-1М); контроль изоляции вводов трансформатора (при ВН блока большем или равном 500 кВ, КИВ-500Р); - защита от замыканий на землю в одной точ- ке цепи возбуждения (КЗР-З); защита ротора от перегрузки током возбуж- дения (РЗР-1М-УЗ); блокировка при нарушениях в цепях на- пряжения (КРБ-12); блокировка при качаниях (КРБ-126). 698
Вопросы для самопроверки 1. Особенности выполнения защит блока генератор - транс- форматор. 2. Как выполняются защиты от замыканий на землю генера- тора, работающего в блоке с трансформатором? 3. Выполнение защиты блока от внешних КЗ и перегрузок. 4. Как выполняется защита от асинхронного хода генера- тора? 5. Каково назначение дублирующих дифференциальных за- щит на мощных блочных генераторах? 6. Особенности выполнения выходных цепей защит блоков. Глава девятнадцатая ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 19.1 . ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Электродвигатели имеют весьма широкое применение во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в установках собственных нужд электростанций. Вследствие массового ха- рактера их применения релейная защита двигателей, особен- но асинхронных, должна выполняться возможно проще и де- шевле, но одновременно с этим отличаться надежностью дей- ствия как при внутренних повреждениях, так и при опасных для них ненормальных режимах. В настоящее время в промышленности и отчасти на электро- станциях начали использоваться и синхронные двигатели, а также мощные асинхронные двигатели (2000 кВт и более), для защиты которых стали применяться более сложные - дифференциальные защиты. Особое место по своей ответст- венности занимают электродвигатели механизмов собствен- ных нужд атомных и крупных тепловых электростанций. Лож- ное отключение этих электродвигателей из-за неправильного действия защиты может нарушить нормальную работу электро- станции, поэтому защита электродвигателей ответственных механизмов электростанций должна отличаться высокой на- дежностью и безотказностью работы. Большое значение для бесперебойной работы промышлен- ных предприятий и особенно собственных нужд электростан- 699
иии имеет самоэапуск электродвигателей, который заклю- чается в том, что при кратковременном понижении напряже- ния в сети, питающей электродвигатели, они не отключаются и после восстановления напряжения вновь разворачиваются до нормальной частоты вращения (т. е. ’’сами запускаются”). Наиболее часто кратковременные понижения или исчезнове- ния напряжения происходят в результате КЗ, при автоматиче- ском переключении питания электродвигателей с одного источника на другой в результате действия АВР, а также при восстановлении напряжения после АПВ. Защита электродвигателей должна обеспечивать возмож- ность их самозапуска, т. е. она не должна преждевременно от- ключать электродвигатели как при понижении напряжения, так и при его восстановлении. 19J. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Междуфазные КЗ в обмотках статора сопровождаются боль- шими токами КЗ и вызывают значительные разрушения по- врежденных электродвигателей. Поэтому РЗ электродвигате- лей от междуфазных повреждений является обязательной. Однофазные замыкания обмотки статора на землю менее опас- ны, так как сети, от которых питаются электродвигатели, как правило, работают с изолированными нейтралями или зазем- ленными через дугогасительные реакторы. Согласно ПУЭ защита электродвигателей от замыкания на землю устанавли- вается в тех случаях, когда ток замыкания на землю достига- ет 5 А. Но, так как замыкания на землю сопровождаются пере- напряжениями, вызывающими развитие аварии, защиту от замыканий на землю стали устанавливать во всех случаях с действием на отключение. РЗ от витковых замыканий не применяются, так как простых способов ее выполнения нет. На электродвигателях, подверженных перегрузкам, устанав- ливается РЗ от перегрузки, которая в зависимости от условий работы и обслуживания электродвигателей выполняется дей- ствующей на сигнал, разгрузку приводимого механизма или отключение электродвигателя. В некоторых случаях является недопустимым самозапуск электродвигателей при восстанов- лении напряжения после кратковременного его исчезновения. Такое положение может иметь место по условиям технологии 700
производства или безопасности персонала, а также бывает необходимо для ограничения токов самозапуска путем отклю- чения части малоответственных электродвигателей (см. § 19.3). На таких электродвигателях устанавливается РЗ минималь- ного напряжения, действующая на их отключение. 19.3. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Вращающий момент электродвигателей и момент сопротив- ления механизма. Нормальный установившийся режим рабо- ты электродвигателя характеризуется равенством электро- магнитного момента Мд, развиваемого электродвигателем, и механического момента сопротивления Мс механизма, приво- димого в действие электродвигателем: МД = МС. (19.1) Если Мд < Мс, то электродвигатель будет тормозиться, а если Мд > Мс, то частота вращения электродвигателя будет увеличиваться. При неизменном напряжении питающей сети момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, зави- сит от частоты вращения п или, что то же, от скольжения $ (рис. 19.1). В нормальных условиях равенство Мд = Мс имеет место при s = 0,02 * 0,05. Максимальный момент электродвига- теля Матпах равен примерно двукратному номинальному мо- менту: ^дтох^д.ном % 2. Частота вращения пк и сколь- жение sK, соответствующие мак- симальному моменту, называ- ются критическими. Рис. 19.1. Зависимость момента вращения асинхронных электродвигателей и момен- тов сопротивления механизмов от часто- ты вращения (19.2) 701
Рис. 19.2. Схема замещения асинхронного электродвигателя Рис. 19.3. Зависимость тока статора и сопротивления электродвигателя от сколь- жения Пусковой момент Мд>пуск, соответствующий частоте вращения п = О или скольжению s = 1, в зависимости от конструкции электродвигателя имеет разные значения (кривые 1, 2, 3, рис. 19.1). Характеристики моментов сопротивления механизмов, при- водимых в действие электродвигателями, в зависимости от их частоты вращения могут быть зависящими от частоты вращения (кривая 5) и не зависящими от нее (кривая 4) (рис. 19.1). Момент сопротивления, не зависящий от частоты вращения, имеют, например, шаровые мельницы в системе пылеприготовления электростанции. Момент сопротивления, резко зависящий от частоты вращения, имеют все центробежные механизмы. Ток, потребляемый статором электродвигателя из сети, /д состоит из тока намагничивания /нам статора и тока ротора, приведенного к обмотке статора 1рот: Ад — 4<ам +-1рот‘ (1^’3) Это следует из схемы замещения (рис. 19.2). Ток в роторе определяется наведенной в нем ЭДС, которая зависит от сколь- жения. Токи ротора и статора также меняются с изменением скольжения. Характер зависимости периодической составляю- щей /д и сопротивления электродвигателя Za от скольжения представлен на рис. 19.3. При нормальной работе электродви- гателя, когда скольжение составляет 2-5% (близко к нулю), сопротивление ротора очень велико, /рот мал, мал и ток ста- тора, так как ветвь намагничивания имеет большое сопротив- ление. 702
Пуск электродвигателей. При пуске, т. е. при подаче напря- жения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответст- венно максимальное значение имеет и ток статора. Ток стато- ра при пуске электродвигателя называется пусковым то- ком. Начальный пусковой ток равен току трехполюсного КЗ за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя. Пусковой ток состоит из переменной составляющей, зату- хающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодиче- ской составляющей, затухающей в течение нескольких перио- дов. Из осциллограммы пуска двигателя, представленной на рис. 19.4, видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется сначала мало, и только при при- ближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления дви- гателя. Периодическая составляющая пускового тока электро- двигателя /д.пуск при неподвижном роторе в 4-8 раз превосхо- дит /ном. Пик тока с учетом апериодической составляющей достигает /д.пуСК = (1,6-1ДОп.пУск- (19-4) Продолжительность затухания периодической составляю- щей пускового тока до значения номинального тока зависит от параметров электродвигателя и условий пуска. При пуске с нагрузкой развертывание электродвигателя до номинальной скорости происходит медленнее и продолжительность спада тока увеличивается. Это объясняется тем, что ускорение враще- 703
ния ротора зависит от значения избыточного момента: Миэб = мд-мс. Если Мц превосходит Мс во все время пуска, то электродви- гатель пускается быстро и легко. Как видно из рис. 19.1, электро- двигатели, приводящие механизмы с зависимым от частоты вращения моментом сопротивления, пускаются легче, чем электродвигатели, приводящие механизмы с независимым от частоты вращения моментом сопротивления. В последнем слу- чае при недостаточном значении пускового момента электро- двигатели могут вообще не развернуться (кривые 2 и 4, рис. 19.1), так как, начиная со скольжения, соответствующего точке а, Мс превосходит Мд. Электродвигатели с глубоким пазом и двойной обмоткой ротора имеют наиболее благоприятный пусковой момент (кри- вая 3, рис. 19.1). Длительность пуска электродвигателей tnycK, как правило, не превосходит 10-15 с, и только у электродвига- телей с тяжелыми условиями пуска это значение может быть значительно больше. При возникновении КЗ в питающей сети вблизи зажимов электродвигателя последний за счет внутренней ЭДС, под- держиваемой энергией магнитного поля, посылает к месту КЗ быстро затухающий ток. Броски тока КЗ могут достигать значений пусковых токов. Зависимость момента электродвигателей от напряжения: MR = kU2. (19.5) При КЗ в сети напряжение на зажимах электродвигателей снижается. В результате этого моменты электродвигателей уменьшаются, и они начинают тормозиться, увеличивая сколь- жение (кривые 1, Г, 1", рис. 19.5) до тех пор, пока вновь не восстановится равенство (19.1). Если при этом окажется, что Мцтах = (кривая 1', точка а на рис. 19.5), то электродвигатель будет находиться на пределе устойчивой работы и иметь скольжение, равное критическому. При дальнейшем снижении напряжения электродвигатель будет тормозиться вплоть до полной остановки. После отключения КЗ напряжение питания восстанавливается, и дальнейшее поведение электродвигате- ля будет зависеть от скольжения, имевшего место в момент восстановления напряжения, и соответствующих ему значений 704
Рис. 19.5. Зависимость момента враще- ния асинхронных электродвигателей от скольжения $ при различных зна- чениях напряжения Мд и Мс. При Мд > Мс электродвигатель развернется до нор- мальной частоты вращения, а при Мд < Мс будет продолжать тормозиться до полного останова. В этом случае электродвига- тель необходимо отключить, так как он будет потреблять пус- ковой ток, не имея возможности развернуться. Самозапуск электродвигателей тяжелее обычного пуска. Объясняется это тем, что при самозапуске электродвигатели пускаются нагруженными, а электродвигатели с фазным рото- ром - без пускового реостата в цепи ротора, что уменьшает пусковой момент и увеличивает пусковой ток, и наконец, пускается большое количество электродвигателей одновре- менно, что вызывает падение напряжения в питающей сети от суммарного пускового тока. Самозапуск электродвигателей проходит сравнительно легко. Самозапуск электродвигателей собственных нужд электростанций возможен даже в тех слу- чаях, когда в первый момент после восстановления напряже- ния значение его составляет 0,5517НОМ. При этом общее время самозапуска не превышает 30-35 с, что допустимо по их нагреву. В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвига- тель продолжает работать. Частота вращения ротора при этом несколько уменьшается, а обмотки двух, оставшихся в рабо- те фаз перегружаются током в 1,5-2 раза большим номиналь- ного. Защита от работы на двух фазах применяется лишь на электродвигателях напряжением до 500 В, защищенных предо- хранителями, если двухфазный режим работы может повлечь за собой повреждение электродвигателя. 705
19.4. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ КЗ МЕЖДУ ФАЗАМИ Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электро- двигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В ка- честве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ согласно ПУЭ применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. С реле косвенного дей- ствия отсечка выполняется с независимыми токовыми реле по схемам на рис. 19.6 и 19.7. Ток срабатывания должен быть отстроен от броска пускового тока электродвигателя А:.р — ^отс ^сх Ътуск/К/ > (19.6) где ксх ~ коэффициент схемы, равный /з для схемы на рис. 19.6 и 1 для схемы на рис. 19.7; /пуск - пусковой ток электродвига- теля; /сотс - коэффициент отстройки, значение которого прини- мается равным: 1,8 - для реле типа РТ-40, действующих через промежуточное реле с временем срабатывания 0,04-0,06 с; 2 - для реле прямого действия и индукционных реле типов РТ-82 и РТ-84 [32]. Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, кото- рый электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ. Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт сле- дует выполнять, как правило, по наиболее простой и дешевой однорелейной схеме (рис. 19.6). Недостатком этой схемы явля- ется более низкая чувствительность по сравнению с отсеч- кой, выполненной по схеме на рис. 19.7, к двухфазным КЗ меж- ду одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Это имеет место, так как ток срабатывания реле отсечки, вы- полненной по однорелейной схеме, в Уз раз больше, чем в двухрелейной схеме. Поэтому на электродвигателях мощностью 2000-5000 кВт токовая отсечка выполняется двухрелейной. Двухрелейную схему отсечки следует также применять на электродвигате- лях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительно- сти однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах элект- родвигателя окажется менее двух (кч < 2) [33]. На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанав- ливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках 706
Рис. 19.7. Схема двухрелейной токовой отсечки электродвигателя: а — цепи тока; б — цепи оператив- ного постоянного тока Рис. 19.6. Схема однорелейной токо- вой отсечки электродвигателя: а — цепи тока; б — цепн опера- тивного постоянного тока электродвигателей, чем токовая отсечка и МТЗ. Дифферен- циальная РЗ предусматривается и на электродвигателях мощ- ностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности. Так, например, целесообразно применение дифференциальной РЗ для электродвигателей мощностью 3500 и 4000 кВт. Дифференциальная РЗ обычно вы- полняется в двухфазном исполнении с реле типа РНТ-565. Ток срабатывания РЗ, который должен быть отстроен от /нб при пуске электродвигателей, рекомендуется принимать: 4.э = 2/ном. (19.7) Коэффициент чувствительности РЗ при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя должен быть не менее двух. В тех случаях когда РЗ с реле РНТ-565, отстроенная от больших токов небаланса, не обеспечивает необходимой чувствительности, используются дифференциальные реле типа ДЗТ-11 с торможе- нием. Подобные РЗ, в частности, применяются на асинхрон- ных электродвигателях типа АТД 5000-8000 кВт, а также на синхронных электродвигателях мощностью более 5000 кВт. Тормозная обмотка реле при этом подключается к ТТ, установ- ленным со стороны нулевых выводов обмотки статора. Такое включение обмотки исключает торможение при повреждении в обмотке статора. Поскольку РЗ в двухфазном исполнении не реагирует на двойное замыкание на землю, одно из которых возникает в обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ, 707
дополнительно устанавливается специальная РЗ от двойных замыканий на землю, которая выполняется токовым реле, подключенным к ТТНП. 19.5. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Перегрузка электродвигателей возникает при затянувшем- ся пуске и самозапуске; из-за перегрузки приводимых механиз- мов. Для электродвигателя опасны только устойчивые пере- грузки. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Значительное увеличение тока электродвигателя получа- ется также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при пере- горании одного из них. При номинальной загрузке в зависимо- сти от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6 - 2,5)/ном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый ха- рактер носят сверхтоки, обусловленные механическими по- вреждениями электродвигателя или вращаемого им механиз- ма и перегрузкой механизма. Основной опасностью сверхто- ков является сопровождающее их повышение температуры от- дельных частей, и в первую очередь обмоток. Повышение тем- пературы ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы двигателя. Перегрузочная способность электродвига- теля определяется характеристикой зависимости между сверх- током и допускаемым временем его прохождения: Г=Г(о-1)/(к-1), (19.8) где t - допустимая длительность перегрузки, с; Т - постоян- ная времени нагрева, с; а - коэффициент, зависящий от типа изоляции электродвигателя, а также периодичности и характе- ра сверхтоков (для асинхронных электродвигателей в среднем а = 1,3); к - кратность сверхтока, т. е. отношение тока электро- двигателя 1П к /ном, к ~ ^Д^НОМ’ Вид перегрузочной характеристики при постоянной времени нагрева Т - 300 с представлен на рис. 19.8. При решении вопро- са об установке РЗ от перегрузки и характере ее действия ру- 708
ководствуются условиями работы электродвигателя, имея в виду возможность устойчивой перегрузки его приводного механизма: а) на электродвигателях механизмов, не подверженных тех- нологическим перегрузкам (например, электродвигателях цир- куляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, РЗ от перегрузки не устанавливается; б) на электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дроби- лок, багерных насосов и т. п.), а также на электродвигателях, самозапуск которых не обеспечивается, РЗ от перегрузки долж- на устанавливаться; в) защита от перегрузки выполняется с действием на отклю- чение в случае, если не обеспечивается самозапуск электро- двигателей или с механизма не может быть снята технологи- ческая перегрузка без останова электродвигателя; г) защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если техноло- гическая перегрузка может быть снята с механизма автомати- чески или вручную персоналом без останова механизма и элект- родвигатели находятся под наблюдением персонала; д) на электродвигателях механизмов, могущих иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и пере- грузку, устранение которой невозможно без останова механиз- ма, целесообразно предусматривать действие РЗ от сверхтоков Рис. 19.8. Характеристика зависимости допустимой длительности перегрузки от кратности тока перегрузки Рис. 19.9. Принцип действия тепловых реле 709
с меньшей выдержкой времени на отключение электродвига- теля. В тех случаях, когда ответственные электродвигатели собственных нужд электростанций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, тогда РЗ их от перегруз- ки можно выполнить с действием на сигнал. Защиту электродвигателей, подверженных технологической перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной сто- роны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой - давала возможность наиболее полно использовать перегрузоч- ную характеристику электродвигателя с учетом предшество- вавшей нагрузки и температуры окружающей среды. Наилуч- шей характеристикой РЗ от сверхтоков являлась бы такая, которая проходила несколько ниже перегрузочной характери- стики (пунктирная кривая на рис. 19.8). Защита с тепловым реле. Лучше других могут обеспечить ха- рактеристику, приближающуюся к перегрузочной характери- стике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют на количество тепла Q, выделенного в сопротивлении его на- гревательного элемента. Тепловые реле выполняются на прин- ципе использования различия в коэффициенте линейного расширения различных металлов под влиянием нагревания. Основой такого теплового реле является биметаллическая пла- стина 1 (рис. 19.9), состоящая из спаянных по всей поверхно- сти металлов а и б с сильно различающимися коэффициентами линейного расширения. При нагревании пластина 1 прогиба- ется в сторону металла с меньшим коэффициентом расшире- ния и освобождает защелку рычага 2, который, поворачи- ваясь, под действием пружины 3 вокруг оси 5, замыкает кон- такты реле 4. Нагревание пластины 1 осуществляется нагревательным элементом 6 при прохождении по нему тока I. Тепловые реле сложны в обслуживании и наладке, имеют различные характеристики отдельных экземпляров реле, часто не соответствуют тепловым характеристикам электродвигате- лей и имеют зависимость от температуры окружающей среды, что приводит к нарушению соответствия тепловых характерис- тик реле и электродвигателя. Поэтому тепловые рапе следует применять лишь в тех случаях, когда более простые токовые реле не обеспечивают защиты двигателей. Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электро- двигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с исполь- 710
Рис. 19.10. Схема защит электродвигателей от перегрузки: а, в - цепи переменного тока; б, г — цепи оперативного постоянного тока для защит с независимой и с зависимой выдержками времени соответственно зованием реле с ограниченно зависимыми характеристиками типа РТ-80 или МТЗ с независимыми токовыми реле и реле вре- мени (рис. 19.10). Преимуществами МТЗ по сравнению с тепловыми являются более простая эксплуатация их и более легкий подбор и регу- лировка характеристик РЗ. Однако МТЗ не позволяют исполь- зовать перегрузочные возможности электродвигателей из-за недостаточного времени действия их при малых кратностях тока. Максимальная токовая РЗ с независимой выдержкой време- ни в однорелейном исполнении (рис. 19.10, а, б) применяется на всех асинхронных электродвигателях собственных нужд теп- ловых и атомных электростанций, а на промышленных пред- приятиях - для всех синхронных (когда она совмещена с РЗ от асинхронного режима) и асинхронных электродвигателей, являющихся приводами ответственных механизмов, а также для неответственных асинхронных электродвигателей с вре- менем пуска более 12-13 с. В случае выполнения РЗ от междуфазных КЗ при помощи токовых реле типа РТ-80 эти же реле используются и для защи- ты от перегрузки. Если при этом РЗ от сверхтоков должна дей- ствовать не на отключение, а на сигнал, то применяются реле типа РТ-84, имеющие раздельные контакты отсечки и индук- ционного элемента (рис. 19.10, в, г). Ток срабатывания МТЗ от перегрузки устанавливается из условия отстройки от /ном электродвигателя: 4.з = коте 4ом^В- (19-9) 711
Время действия МТЗ от перегрузки t3 п должно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя tnycK, а у электродвигателей, участвующих в самозапуске, больше времени самозапуска. Время пуска асинхронных электродвигателей обычно состав- ляет 10-15 с. Поэтому характеристика реле типа РТ-80 должна иметь в независимой части время, не меньшее 12-15 с. На РЗ от перегрузки с независимой характеристикой выдержка вре- мени принимается 12-20 с. 19.6. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В соответствии с ПУЭ РЗ от замыканий на землю в обмотке статора с действием на отключение устанавливается на элект- родвигателях мощностью 2000 кВт и более при токах замыка- ния на землю более 5 А, а на электродвигателях меньшей мощ- ности - при токах замыкания на землю более 10 А. В эксплуата- ции, однако, при токах замыкания на землю более 5 А РЗ от замыканий на землю часто устанавливают на электродвигате- лях любой мощности, что способствует ограничению их повреж- дений при замыканиях на землю. Защита от замыканий на землю реагирует на емкостный ток сети и выполняется с помощью одного токового реле типа РТЗ-51 (РТЗ-50, применявшихся раньше), которое подключает- ся к ТТ нулевой последовательности (ТТНП), установленному на кабеле, питающем двигатель. Применяются ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ и др. (рис. 19.11, а). Защита действует так же, как аналогичная РЗ генераторов. В случае, когда питание электродвигателя осуществляется по нескольким параллельным кабелям (двум-четырем), вто- ричные обмотки ТТНП, надетые на каждый из них, соединяют- ся последовательно или параллельно (см. рис. 19.20). На электродвигателях большой мощности, для питания которых прокладывается больше четырех кабелей, РЗ от замы- каний на землю выполняется с одним общим ТТНП типа ТНПШ с подмагничиванием аналогично защите генераторов. Ток срабатывания РЗ выбирается на основании тех же сообра- жений, что и для аналогичной РЗ кабельных линий, реагирую- 712
Рис. 19.11. Структурная схема защиты от замыканий на землю в сети собственных нужд 6,3 кВ: а - защита двигателя от замыканий на землю; 6 - схема подключения до- полнительного трансформатора с заземляющими резисторами щих на емкостный ток (50 Гц) (см. гл. 9): 4,з > котс кб1с, (19.10) где 1С - собственный емкостный ток электродвигателя; котс - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2-1,3; к5 - коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока электро- двигателя при внешних перемежающихся замыканиях на землю. Для РЗ, действующей без выдержки времени, значе- ние этого коэффициента принимается равным 3-4. Для повы- шения чувствительности РЗ допускается принимать умень- шенное значение к$ = 1,5 + 2. Защита при этом выполняется с выдержкой времени 1-2 с. Поскольку мощность ТТНП (типов ТЗ, ТЗР и др.) невелика, для обеспечения максимальной чувствительности РЗ от замы- каний на землю к каждому типу ТТНП необходимо подбирать токовое реле на определенный ток срабатывания, имеющее соответствующее сопротивление обмотки (реле РТЗ-51, РТЗ-50, РТ-40/0,2). 713
В целях уменьшения перенапряжений при замыканиях на землю в сети собственных нужд (СН) энергоблоков ТЭС и АЭС большой мощности, а также повышения чувствительности и селективности действия РЗ электродвигателей 6 кВ и транс- форматоров СН 6,3/0,1 кВ, эти сети работают с нейтралью, за- земленной через резистор [38]. Для этого на каждой секции блочных СН 6,3 кВ устанавливается дополнительный заземляю- щий трансформатор (ДТ), например типа TC3K-63, со схемой со- единения обмоток звезда с заземленной нейтралью - треуголь- ник. В нейтраль ДТ включаются параллельно два высоковольт- ных заземляющих резистора, по 200 Ом каждый, изготовлен- ные из специального электротехнического бетона (бетела) (рис. 19.11, б). При этом в случае однофазного замыкания на землю в двигателе по его цепи будет протекать активный ток 3/0 = 35 40 А (достаточный для надежного действия защиты и допустимый по условию ограничения повреждения в двига- теле от тока замыкания на землю). Одновременно по цепям неповрежденных элементов, присоединенных к тем же ши- нам, будут протекать только емкостные токи нулевой последо- вательности, от которых защиты рассматриваемых присоедине- ний должны быть отстроены. Наличие заземляющих резисто- ров резко снижает вероятность перехода однофазных замыка- ний на землю в двухфазные и двойные КЗ, так как перенапря- жения на неповрежденных фазах не будут превышать при этом значения ^ер = 1.8Уном- Защита электродвигателя от замыканий на землю, как отме- чено выше, выполняется с помощью реле РТЗ-51 (РТЗ-50), подключенного к ТТНП и действующего на отключение электро- двигателя без выдержки времени (см. рис. 19.11, 19.15, 19.16). При отказе защиты от замыканий на землю или выключателя на поврежденном присоединении или при замыкании на шинах секции имеется опасность повреждения заземляющих сопротивлений R в нейтрали дополнительного трансформато- ра ДТ (рис. 19.11, б). Для исключения этого на ДТ предусматри- вается защита нулевой последовательности (КА, КТ), дей- ствующая с выдержкой времени 0,6 с на отключение трансфор- матора (линии), питающего секцию 6 кВ. Запрет АВР при этом не производится. Для электродвигателей механизмов карьеров, рудников, торфоразработок и других предприятий, где требуется по усло- виям безопасности незамедлительное отключение замыкания 714
на землю даже при очень малых значениях тока в месте по- вреждения (0,2-0,5 А) рекомендуется применять более чувст- вительную направленную РЗ от замыканий на землю типа ЗЗП-1. Для РЗ от двойных замыканий на землю на электродвигате- лях, оснащенных продольной дифференциальной РЗ в двух- фазном исполнении, ко вторичной обмотке ТТНП подключа- ется действующее на отключение второе токовое реле, имею- щее /сз = 100 -j- 200 А. 19.7. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПОНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Защита минимального напряжения устанавливается на электродвигателях, которые необходимо отключать при пони- жении напряжения для обеспечения самозапуска ответствен- ных электродвигателей, а также электродвигателей, самоза- пуск которых при восстановлении напряжения недопустим по условиям техники безопасности или особенностям техно- логического процесса. На электростанциях к ответственным относятся такие электродвигатели, отключение которых вызывает снижение нагрузки или останов электростанции: питательных, конден- сатных и циркуляционных насосов, дутьевых вентиляторов и питателей пыли. Неответственными считаются электродвига- тели, отключение которых не отражается на нагрузке электро- станции: мельниц при наличии промежуточных бункеров, ба- герных насосов и т. п. Если мощность всех ответственных электродвигателей пре- вышает допустимую мощность по условию самозапуска, то при понижении напряжения необходимо отключать и некото- рые ответственные электродвигатели. По истечении време- ни, достаточного для развертывания неотключаемых электро- двигателей, отключенные ответственные электродвигатели можно включать обратно при помощи АПВ. Отключение электродвигателей при исчезновении напря- жения обеспечивается установкой одного реле минимально- го напряжения, включенного на линейное напряжение. Су- щественным недостатком такой РЗ минимального напряже- ния является возможность ее неправильной работы в случае 715
Рис. 19.12. Схема защиты минимального напряжения на постоянном оператив- ном токе: а — цепи переменного напряжения; б — оперативные цепи: I - на отключение неответственных электродвигателей; Я - на отключение ответственных электро- двигателей обрыва цепей напряжения. Поэтому РЗ с одним реле напряже- ния применима лишь для неответственных электродвигателей. В установках с постоянным оперативным током РЗ минималь- ного напряжения выполняется для каждой секции сборных шин собственных нужд по схеме, приведенной на рис. 19.12. В цепи реле времени КТ1, действующего на отключение неот- ветственных электродвигателей, включены последовательно контакты трех минимальных реле напряжения KV1. Благодаря такому включению контактов реле предотвращается ложное срабатывание РЗ при перегорании любого предохранителя в цепях TH. Напряжение срабатывания реле KV1 принимается порядка 70% 17ном. Выдержки времени на отключение: 0,5- 1,5 с - для неответственных электродвигателей, 10-15 с - для ответственных. Как показывает опыт эксплуатации, в ряде случаев самоза- пуск электродвигателей продолжается 20-25 с при снижении напряжения на шинах собственных нужд до 60-70% 17ном. При этом, если не принять дополнительных мер, защита мини- мального напряжения (реле KV1), имеющая уставку срабаты- вания (0,6 - 0,7)17НОМ, могла бы доработать и отключить ответ- ственные электродвигатели. Для предотвращения этого в цепи обмотки реле времени КТ2, действующего на отключение от- ветственных электродвигателей, включается контакт KV2.1 четвертого реле напряжения KV2. Это минимальное реле на- пряжения имеет уставку срабатывания порядка (0,4 - 0,5)17НОМ и надежно возвращается во время самозапуска. Реле KV2 бу- дет длительно держать замкнутым свой контакт KV2.1 толь- ко при полном снятии напряжения с шин собственных нужд. 716
ХТ2 Рис. 19.13. Схема защиты минимального напряжения с фильтр-реле напряже- ния обратной последовательности: а — цепи напряжения; б — оперативные цепи На электростанциях применяется и другая схема РЗ мини- мального напряжения, показанная на рис. 19.13. В этой схеме используются три пусковых реле; фильтр-реле напряжения обратной последовательности KV1 типа РНФ-1М и реле мини- мального напряжения KV2 и KV3 типа РН-54/160. В нормаль- ном режиме, когда напряжения симметричны, размыкающий контакт KV1.1 в цепи обмоток реле времени КТ1 и КТ2 замк- нут, а замыкающий KV1.2 в цепи сигнализации разомкнут. Размыкающие контакты KV2.1 и KV3.1 в нормальном режиме разомкнуты. При снижении (или исчезновении) напряжения на всех фа- зах контакт KV1.1 останется замкнутым и поочередно подей- ствуют: первая ступень РЗ, которая осуществляется с помощью реле KV2 (уставка срабатывания 0,717НОМ) и КТ1 (выдержка вре- мени 0,5-1,5 с); вторая - с помощью реле KV3 (уставка срабаты- вания 0,517НОМ) и КТ2 (выдержка времени 10-15 с). При наруше- нии одной или двух фаз цепей напряжения сработает реле напряжения ОП и контактом KV1.1 выведет РЗ из действия, а контактом KV1.2 подаст сигнал о неисправности цепей на- пряжения. При срабатывании каждой ступени РЗ подается плюс на шинки минимального напряжения ~ ШМН1 и ШМН2 соответственно, откуда он поступает на цепи отключения электродвигателей. Действие РЗ сигнализируется шунтовыми реле КН1 и КН2.
19.8. РАСЧЕТ ТОКОВ САМОЗАПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ИХ ЗАЖИМАХ Расчет самозапуска необходим для выбора уставок защит источников питания, а также для определения предельной мощности самозапускающихся электродвигателей. Задача расчета сводится к определению суммарного тока самозапуска электродвигателей 1П£ и остаточного напряжения на их зажи- мах U0CT. Расчет самозапуска выполняется для наиболее тяжелого режима при остановленных электродвигателях (s = 1). Расчет самозапуска электродвигателей. Ниже рассмотрен расчет самозапуска остановленных электродвигателей при пи- тании их от шин источника ’’бесконечной мощности” через трансформатор или реактор. Расчет самозапуска от генератора, мощность которого со- измерима с мощностью самозапускающихся электродвигате- лей, более сложен. Целью расчета является определение суммарного тока двигателей и остаточного напряжения на их зажимах при само- запуске. Как было указано выше, ток в момент пуска или самозапус- ка отдельного электродвигателя равен току трехполюсного КЗ за сопротивлением остановленного двигателя. При самозапуске группы электродвигателей (рис. 19.14) их результирующее сопротивление д находится путем парал- лельного сложения сопротивлений электродвигателей, участ- вующих в самозапуске: ill 1 -----------+-----+ ... + ---. *р.Д 2Д1 2Д2 2ДЛ Сопротивления отдельных заторможенных электродвигате- лей определяются по выражению ^ном z= ” "Л ’ V •э-'п.пуск где 1/ном - номинальное напряжение двигателя; /п.пуск ~ на' чальное значение периодической составляющей пускового тока двигателя при 17ном. Значение периодической составляющей пускового тока 718
т UpatM ^расч Рис. 19.14. Расчетные схемы для определения токов и напряжений при само- запуске электродвигателей: а - схема питания электродвигателей; б — расчетная схема замещения; в — преобразованная схема замещения /п.пуск определяется или по паспортным данным, или практи- чески, путем осциллографирования тока при пуске двигателя. При питании шин двигателя от трансформатора все сопро- тивления и расчетное напряжение приводятся к одной ступе- ни напряжения по формулам Z'= ZK^ =z^-, Цэасч = Ц>асч ^т > где Z - действительное значение сопротивления; Z’ - приве- денное значение сопротивления; Кт - коэффициент трансфор- мации трансформатора; - номинальное напряжение с уче- том действительной отпайки трансформатора со стороны, к которой осуществляется приведение; - то же на стороне, с которой осуществляется приведение; 1/расч - расчетное на- пряжение (линейное); {7расч ~ приведенное значение расчет- ного напряжения. Ток самозапуска электродвигателей, питающихся через трансформатор или реактор: т Цэасч ln L = 7=-------, V3 (X+Z'p.z) 719
где In £ *- ток самозапуска группы двигателей; X - сопротив- ление трансформатора или реактора; Z^a - результирующее пусковое сопротивление группы электродвигателей, приве- денное к расчетной ступени напряжения. Для упрощения расчета полное сопротивление заторможен- ных электродвигателей и реактивное сопротивление транс- форматора или реактора складываются арифметически. Падение напряжения на сопротивлениях схемы замещения пропорционально значениям соответствующих сопротивлений. Отсюда может быть определено остаточное напряже- ние на зажимах двигателей при самозапуске U1 = U’ ——— '-'ост '-'расч у- , > л + ^р.д где UqCT - остаточное напряжение на зажимах двигателя, приведенное к расчетной ступени напряжения. Пример расчета самозапуска электродвигателей. 1. Расчет- ные условия. Рассчитать начальные условия самозапуска группы электродвигателей от шин бесконечной мощности 10 500 В через трансформатор (рис. 19.14). Для упрощения расче- та в примере принято пять двигателей. Параметры электродвигателей Дх: Рном1 = 2000 кВт; cos (рН0М1 = = 0,85; Uhomi =3000 В; /сп.д1 = 5,5. Параметры электродвигателей Д2: РН0М2 s 875 кВт; cos(pH0M2 = = 0,85; L/Hom2 = 3000 В; fcn.n2 = 5 (кп,Д1 и /сп.д2 - кратности пуско- вых токов электродвигателей Дх и Д2 соответственно). Параметры трансформатора: ST = 7500 кВ-А; ик = 8%; К? ~ _ 10 500 3300 ’ 2. Определяются расчетные сопротивления, при- веденные к напряжению 3300 В. Сопротивление трансформатора ик ином(кВ) %-3,Э2 ----------= -----------!---- = 0,116 ОМ. 100 5тр(МВ-Л) ЮО.7,5 Номинальный ток электродвигателя Д1 т 5ЯОМ1 2 000 000 iCt , *ном i ~ ~ г- — 454 А. V3 Uhqmicos^homi V3 • 3000 • 0,85 720
Пусковое сопротивление электродвигателя Дх VsinycKi кп.д141ом1 '/з-5,5-454 Суммарное сопротивление двух электродвигателей Дх 2Я1 0,69 Z' = — = -4- = 0,345 Ом. Д1 2 2 ’ Номинальный ток электродвигателя Д3 ZHOM2------—----------= _875-°-------= 198 А. ^3 ^ломасо5Фномз *3 3000 0,85 Пусковое сопротивление электродвигателя Д2 % _ ^НОМ2 _ ^НОма 3000 _ 17$ Ом Vs^nycKi Vs ^п.дг-Гнома Vs *5 -198 Суммарное сопротивление трех электродвигателей Д2 2д2 Х’75 Л CQO Г\ Zn4 ------------------ 0,583 Ом. д2 3 3 Результирующее пусковое сопротивление всех электродви- гателей ,, _ гд1гда 'Р-Д ~ 7' .7' ^Д! +^Д2 0,345-0,583 0,345 + 0,583 = 0,217 Ом. 3. Расчетное напряжение, приведенное к стороне низ- шего напряжения трансформатора: ту’ _ tj _±2__ ирасч ирасч 1Q 500 10 500 3300 10 500 = 3300 В. 4. Ток самозапуска электродвигателей 1п £ =------------= ----------------- = 5730 А. 4 2рд) ^3(0,116 + 0,217) Ток самозапуска электродвигателей, приведенный к сто- роне высшего напряжения трансформатора: /пп«,5 = ^= 5730 ^= 1800А. 721
5. Остаточное напряжение на зажимах электродви- гателей CU. = U' Z?'" = 3300 ---—------- = 2150 В, ост орасч x + zpjI 0,116 + 0,211 что составляет: ЗМ ° 100 = 72% номинального напряжения. Вывод. Самозапуск электродвигателей обеспечивается. В случае, когда, в соответствии с расчетом, условие самоза- пуска не обеспечивается, т. е. U0CT < 0,7Нном, необходимо от- ключить определенную (минимальную) часть неответственных двигателей. При этом число отключенных двигателей должно иметь такое значение результирующего сопротивления остав- шихся в работе двигателей 2р.д, при котором выполнялось бы условие и»ст% = Y 100 > 70%. AT + Zp.fl 19.9. ПОЛНЫЕ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 6,3 кВ [38] На рис. 19.15 приведена схема РЗ электродвигателя 6,3 кВ мощностью до 4000 кВт СН ТЭС и АЭС. В качестве РЗ от между- фазных КЗ в этой схеме используется двухфазная токовая от- сечка (реле КА1 и КА2 типа РСТ-13). Для защиты от возгорания силовых кабелей, питающих электродвигатели, при длительном протекании пусковых токов (например, при заклинивании электродвигателя) установлена РЗ от перегрузки (реле тока КАЗ типа РСТ-13 и реле времени КТ типа РВ-01) с действием на отключение. Допускается использование в качестве КА 1-КАЗ токовых реле типа РТ-40. В этом случае цепи питания обмоток КА оперативным током не предусматриваются. Защита от перегрузки, аналогичная приведенной на рис. 19.15, устанавливается на всех электродвигателях СН, кроме электро- двигателей систем безопасности АЭС. В качестве РЗ от замыканий на землю в схеме на рис. 19.15 используется токовое реле КА4 типа РТЗ-51, подключенное к 722
Рис. 19.15. Схема защиты асинхронного электродвигателя 6,3 кВ мощностью до 4000 кВт собственных нужд ТЭС и АЭС: а — токовые цепи; б — выходное реле защиты минимального напряжения; в — цепи оперативного постоянного тока ТТНП TAN и действующее без выдержки времени на отклю- чение электродвигателя. Для уменьшения вероятности перехода однофазного замы- кания на землю в многофазное КЗ, когда нейтраль сети СН 6,3 кВ заземлена через резистор (см. рис. 19.11), выходное реле KL1 выполняется быстродействующим (типа РП-222 или РП-17). В схеме на рис. 19.15 предусмотрена цепь отключения элект- родвигателя от реле KL2, которое подключено к шинам пер- вой (EVM.1) или второй (EVM.2) ступени групповой РЗ мини- мального напряжения соответствующей секции СН 6,3 кВ. На рис. 19.16 приведена схема РЗ асинхронного электродви- гателя 6,3 кВ мощностью 4000 кВт и выше, имеющего встроен- ные в нулевые выводы ТТ. В связи с этим в качестве РЗ от меж- дуфазных КЗ в схеме на рис. 19.16 предусмотрена дифферен- циальная РЗ, выполненная на реле КАТ1-КАТЗ типа РСТ-13. Допускается использование в этой РЗ реле с торможением ДЗТ-11. В этом случае цепи питания КАТ1-КАТЗ оперативным током не используются. 723
Рис. 19.16. Схема защиты асинхронного электродвигателя 6,3 кВ мощностью 4000 кВт и выше: а — токовые цепи; б — выходное реле защиты минимального напряжения; в — цепи оперативного постоянного тока Поскольку для питания электродвигателей большой мощ- ности используется несколько параллельно соединенных си- ловых кабелей, то для выполнения защиты от замыканий на землю ТТНП TAN1-TAN3, к которым подключено реле КА4, соединяются параллельно. Если электродвигатель используется в качестве главного циркуляционного насоса (ГЦН) АЭС, РЗ от перегрузки (реле КА.З и КТ) не устанавливаются. Во ВНИИР разработана серия измерительных и логических органов на микроинтегральной основе для КРУ и КРУН. Эта серия органов объединена общим названием ЯРЭ 2201. В за- висимости от характера объекта РЗ различают комплекты 724
ЯРЭ для электродвигателя, трансформатора, воздушной или кабельной ЛЭП. При этом габариты и масса устройств РЗ в зна- чительной степени снижаются, упрощаются их обслуживание и наладка. С помощью комплекта ЯРЭ 2201 может быть обеспе- чена РЗ электродвигателей напряжением свыше 1 кВ, мощ- ностью до 5000 кВт и выше от КЗ (токовая отсечка или диффе- ренциальная РЗ), от замыканий на землю в цепи статора (не- направленная или направленная МТЗ НП), от перегрузки (то- ковый орган с зависимой выдержкой времени) и асинхронно- го хода, совмещенная с РЗ от перегрузки. 19.10. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ НИЖЕ 1000 В Защиту электродвигателей напряжением 500, 380 и 220 В осуществляют, исходя из тех же требований, что и к электро- двигателям более высоких напряжений. Для этих электродви- гателей применяются мгновенная РЗ от междуфазных КЗ, РЗ от перегрузки, РЗ минимального напряжения. Защита от КЗ осуществляется с помощью плавких предохранителей, а также максимальных токовых реле прямого или косвенного действия. На электродвигателях напряжением до 500 В широко применяются аппараты, в которых совмещены устройства РЗ и управления - магнитные пускатели и автоматические вы- ключатели. Магнитными пускателями называются трехфазные автома- тические выключатели низкого напряжения (контакторы), рассчитанные на разрыв нормального рабочего тока двигателя и тока его перегрузки. Отключение токов КЗ при применении магнитного пускателя возлагается на последовательно с ним включаемые предохранители. Магнитные пускатели (рис. 19.17) в большинстве случаев не имеют защелки и во включенном положении удерживаются действием электромагнита УД, обмотка которого подключена на напряжение питания. Включение магнитного пускателя осуществляется нажатием кнопки SB1. При этом замыкается цепь обмотки удерживающего электромагнита, якорь кото- рого притягивается и замыкает механически связанные с ним силовые контакты. Кнопка SB1 имеет самовозврат, поэтому после ее размыкания цепь обмотки электромагнита остается замкнутой через вспомогательный контакт SQ, шунтирующий 725
Рис. 19.17. Схема защиты электродви- гателя напряжением до 500 В с маг- нитным пускателем кнопку SB1. Для отключения пускателя вручную служит кноп- ка SB2, при нажатии которой разрывается цепь удерживания электромагнита, и якорь его, отпадая, размыкает силовые контакты УАГ. При понижении напряжения питающей сети электромагнит отпадает, и электродвигатель отключается, чем осуществляется защита минимального напряжения. Пос- ле восстановления напряжения магнитный пускатель сам включиться не может - включение его должно вновь осуще- ствляться вручную. Защита электродвигателя от перегрузки выполняется тепловыми реле КА1 и КА2, Тепловые реле на- страиваются таким образом, чтобы они не срабатывали от то- ков, проходящих при пуске и самозапуске электродвигателя. Схема включения цепей магнитного пускателя, приведен- ная на рис. 19.17, применяется для защиты неответственных электродвигателей, подверженных технологической перегруз- ке. В случае, если электродвигатель не подвержен перегруз- кам, из схемы исключаются контакты тепловых реле. На от- ветственных электродвигателях, которые не должны отклю- чаться при снижениях напряжения, вместо кнопок управления SB1 и SB2 устанавливается однополюсный рубильник, кото- рым производится включение и отключение электродвигате- ля. После восстановления напряжения магнитный пускатель вновь включается, так как рубильник S остается замкнутым. На электродвигателях мощностью 40-50 кВт применяются автоматические воздушные выключатели типов ABM, А3100, АП50-ЗМТ, А3700. Защита от междуфазных КЗ осуществляется электромагнит- ными расцепителями мгновенного срабатывания - отсечкой 726
автоматического выключателя, которая резервируется расце- пителем с зависимой характеристикой выдержки времени. В отдельных случаях, когда встроенные в автоматический вы- ключатель расцепители не обеспечивают надежной защиты электродвигателя, применяется выносная защита в виде токо- вой отсечки с реле тока, подключенным к ТТ двух фаз, дей- ствующая без выдержки времени на независимый расцепитель. При выполнении защиты электродвигателей от КЗ необхо- димо учитывать, что сети напряжением до 500 В работают с заземленной нейтралью и, следовательно, в этих цепях возмож- ны все виды КЗ, в том числе и однофазные. Поэтому предохра- нители устанавливаются во всех фазах, а расцепители и токо- вые реле, с помощью которых осуществляется РЗ от КЗ, также должны реагировать на токи, проходящие во всех фазах и ну- левом проводе. Поскольку токи однофазного КЗ на землю в сети 380 В обыч- но меньше токов трехфазного КЗ, не всегда удается обеспе- чить необходимую чувствительность электромагнитных расце- пителей автоматических выключателей к однофазным КЗ. При этом для РЗ от однофазных КЗ используется чувствитель- ное токовое реле типа РТ-40/0,2, присоединенное к ТТНП, надеваемому на силовой кабель, питающий электродвигатель. Так, выносную РЗ от однофазных КЗ на землю рекомендуется устанавливать на электродвигателях, питающихся от транс- форматоров собственных нужд со схемой соединения обмоток a/y0, у которых уставка отсечки автоматического выключа- теля 4000 А и более. Такая же РЗ рекомендуется для электро- двигателей с уставкой токовой отсечки автоматического вы- ключателя 2000 А и более, питающихся от трансформаторов собственных нужд со схемой соединения обмоток т/т0, у ко- торых токи однофазных КЗ на землю значительно меньше, чем у трансформаторов со схемой соединения обмоток A/Yo. Вследствие значительного загрубления отсечки автомати- ческого выключателя по условию отстройки от пускового тока электродвигателя часто не удается обеспечить необходимую чувствительность защиты от перегрузки с помощью расцепите- лей, имеющих зависимую характеристику. При этом РЗ от пере- грузки выполняется с помощью выносных реле тока и времени. В отдельных случаях на электродвигателях устанавливает- ся специальная РЗ от работы на двух фазах, действующая на 727
отключение электродвигателя. Применение такой РЗ допуска- ется на электродвигателях, защищенных от КЗ плавкими предо- хранителями и не имеющих действующей на отключение РЗ от перегрузки. 19.11. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Некоторые особенности синхронных электродвигателей. При рассмотрении РЗ синхронных электродвигателей необходимо учитывать их особенности. 1. Пуск большинства синхронных электродвигателей произ- водится при отсутствии возбуждения прямым включением в сеть. Для этой цели на роторе синхронного электродвигателя предусматривается дополнительная короткозамкнутая обмот- ка, выполняющая во время пуска ту же роль, что и в коротко- замкнутом роторе асинхронного электродвигателя. Когда сколь- жение электродвигателя приближается к нулю, включается возбуждение, и электродвигатель втягивается в синхронизм под влиянием появляющегося при этом синхронного момента. Во время пуска синхронный электродвигатель потребляет из сети повышенный ток, который по мере уменьшения сколь- жения затухает, так же как и у асинхронного электродвига- теля. Для уменьшения понижения напряжения и пусковых токов мощные синхронные электродвигатели пускаются через реак- тор, который затем шунтируется. Защиты синхронных электро- двигателей, как и РЗ асинхронных электродвигателей, долж- ны быть отстроены от токов, возникающих при их пуске или самозапуске, имеющих место при восстановлении напряже- ния в сети. 2. Момент синхронного электродвигателя зависит от напря- жения сети Ua, ЭДС электродвигателя Ed и угла сдвига § меж- ду С7П и Ed. Без учета потерь в статоре и роторе Edun Ма= к ~~-sin6, (19.11) xd где xd - синхронное сопротивление двигателя. При постоянных значениях [7Д и Ed каждой нагрузке электро- двигателя соответствует определенное значение угла б. 728
В случае понижения напряжения в сети, как следует из вы- ражения (19.11), момент МП уменьшается. Если при этом он окажется меньше момента сопротивления Мс механизма, то устойчивая работа синхронного электродвигателя нарушается, возникают качания и электродвигатель выходит из синхро- низма. Нарушение устойчивости возможно также при пере- грузке электродвигателя или снижении возбуждения. Эффективным средством повышения устойчивости электро- двигателя является форсировка возбуждения, увеличивающая его ЭДС. Опыт показывает, что при глубоких понижениях напряжения (до нуля) синхронные электродвигатели, работаю- щие с номинальной нагрузкой, выходят из синхронизма, если перерыв питания превосходит 0,5 с. При нарушении синхронизма частота вращения электродви- гателя уменьшается, и он переходит в асинхронный режим. При этом в Пусковой обмотке и цепи ротора появляются то- ки, создающие дополнительный асинхронный момент, под влиянием которого синхронный электродвигатель может остаться в работе с некоторым скольжением. Токи, появляющиеся в статоре, роторе и пусковой обмотке электродвигателя при асинхронном режиме, вызывают повы- шенный нагрев их, поэтому длительная работа синхронных электродвигателей в асинхронном режиме с нагрузкой более 0,4-0,5 номинальной недопустима. В связи с этим появляется необходимость в специальной РЗ от асинхронного режима, которая должна реализовать мероприятия, обеспечивающие ресинхронизацию электродви- гателя, или отключить его. Ресинхронизация состоит в том, что с электродвигателя снимается возбуждение (при этом его асинхронный момент повышается и скольжение уменьшает- ся), через некоторое время включается возбуждение, и электро- двигатель вновь втягивается в синхронизм. Признаком нару- шения синхронизма электродвигателя является появление колебаний тока в статоре и переменного тока в роторе. 3. Исследования и опыт эксплуатации показывают, что после отключения КЗ или включения резервного источника питания многие синхронные электродвигатели могут самозапускать- ся, т. е. вновь (сами) втягиваться в синхронизм. Самозапуск синхронных электродвигателей возможен, если после восста- новления напряжения под влиянием возросшего асинхронно- 729
Рис. 19.18. Схема защиты синхронного электродвигателя от асинхронного ре- жима: а — цепи тока; б — цепи постоянного оперативного тока го момента скольжение электродвигателя настолько умень- шится, что он сможет снова втянуться в синхронизм. Защиты, применяемые на синхронных электродвигателях. На синхронных электродвигателях устанавливаются следую- щие РЗ: от междуфазных повреждений в статоре; от замыканий обмотки статора на землю; от перегрузки; от асинхронного хода; от понижения напряжения в сети. Защита от междуфазных повреждений выполняется мгно- венной в виде токовой отсечки или продольной дифференци- альной защиты по такой же схеме, как у асинхронных электро- двигателей. Отличие заключается в том, что РЗ синхронного электродвигателя одновременно с выключателем отключает АГП. Ток срабатывания отсечки отстраивается от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателя. Крупные электродвигатели оборудуются продольной дифференциаль- ной РЗ в двухфазном исполнении. Защита от замыканий обмот- ки статора на землю применяется при токах замыкания на землю более 5-10 А. Защита от перегрузки выполняется совме- щенной с РЗ от асинхронного хода (рис. 19.18). 730
Рис. 19.19. Изменение тока статора син- хронного электродвигателя при асин- хронном режиме В качестве пускового органа в схеме РЗ от асинхронного режима и перегрузки используется токовое реле КА типа РТ-40. Это реле воздействует при срабатывании на промежуточное реле KL1, контакты которого KL1.1 в цепи реле времени КТ замыкаются мгновенно, а размыкаются с замедлением. При асинхронном режиме реле времени КТ не успевает возвратить- ся за время At спада тока между циклами качаний (рис. 19.19) и постепенно, за несколько периодов качаний набирает время и срабатывает на отключение. Для надежной работы РЗ время возврата ^оэ якоря промежуточного реле KL1 должно быть больше времени At (рис. 19.19), в течение которого ток качаний недостаточен для действия реле, т. е. ^03 > At. Выдержка вре- мени РЗ выбирается большей времени затухания пусковых то- ков электродвигателя. Реле времени КТ имеет две выдержки времени. По истече- нии первой выдержки времени замыкается контакт КТ1, пос- ле чего промежуточное реле KL2 подает команды на осущест- вление ресинхронизации. В случае, если ресинхронизация не происходит и качания тока продолжаются, замыкаются контакты реле времени КТ2, после чего промежуточное реле KL3, замкнув свои контакты, подает команды на отключение выключателя и АГП. Для предотвращения срабатывания РЗ при форсировке воз- буждения, когда увеличивается ток статора, цепь обмотки ре- ле времени размыкается контактом KL4.1. На синхронных двигателях большой мощности в качестве защиты от асин- хронного режима возможно применение реле сопротивления, как на генераторах. Защита минимального напряжения выпол- няется так же, как на асинхронных электродвигателях. Полная схема защиты синхронного электродвигателя. На рис. 19.20 приведена схема РЗ синхронного электродвигателя 6-10 кВ мощностью более 5000 кВт с реакторным пуском. Пуск 731
Рис. 19.20. Схема защиты синхронного электродвигателя мощностью более 5000 кВт с реакторным пуском: а — поясняющая схема; б - цепи напряжения; в - токовые цепи; г — цепи оперативного тока; д - цепи сигнализации; UGV - блок питания типа БПН-11/2; AGV — вспомогательное устройство типа ВУ-1 732
синхронного электродвигателя осуществляется через реак- тор LR. Электродвигатель подключен к РУ через несколько параллельных кабелей. На каждом из этих кабелей и иа кабеле к реактору (в камере реактора LR) установлены ТТНП TA2J - ТА2-5. Дифференциальная токовая РЗ выполнена с двумя реле KAW1 и KAW2. В зону действия РЗ включен пусковой реак- тор. С помощью токовых реле КА1 и КА2 осуществляется МТЗ от междуфазных КЗ в зоне между трансформатором тока ТА4 и выключателем Q2. Предусмотрен вывод из действия этой МТЗ на время пуска контактом KQ2, замкнутым при отключенном выключателе Q2. Защита от однофазных замыканий на землю предусмотрена направленной с использованием РЗ от замыканий на землю типа ЗЗП-1 (ЛК на рис. 19.20) с действием на отключение. Та- кое исполнение РЗ принято в предположении, что броски соб- ственного емкостного тока электродвигателя при внешних повреждениях, связанных с землей, настолько значительны, что уставка ненаправленной РЗ, выбранная по условиям от- стройки от указанного режима, не удовлетворяет требованиям необходимой чувствительности. Защита от замыканий на землю подключена к ТТНП ТА2-1 - ТА2-4 типа ТЗЛМ. Напряжение НП к РЗ подается от ТУ. От ТА2-5 токовые цепи подключаются к системе сигнализации от замыканий на землю. Защита от перегрузки и асинхронного режима выполнена с помощью реле тока КАЗ, реле времени и промежуточных реле. Для об- легчения самозапуска СД предусмотрена защита от пониже- ния напряжения сети (на схеме не показана). Вопросы для самопроверки 1. Особенность выполнения защиты ответственных асин- хронных электродвигателей СН электростанций. 2. Почему защита минимального напряжения не может огра- ничиться применением только одного реле напряжения? 3. В чем особенность защиты синхронных электродвигателей? 4. Как производится выбор уставок защиты асинхронных электродвигателей от КЗ? 5. Чем отличаются режимы пуска и самозапуска электродви- гателей?
Глава двадцатая ЗАЩИТА СБОРНЫХ ШИН 20.1. НАЗНАЧЕНИЕ ЗАЩИТЫ ШИН Повреждения на шинах подстанций электрических сетей и электростанций высокого и сверхвысокого напряжений могут быть отключены резервными РЗ, установленными на противо- положной стороне элементов, подключенных к этим шинам (рис. 20.1). Однако резервные РЗ в подобных случаях работают со значительными выдержками времени £реЭ1Э и не всегда обес- печивают селективное отключение поврежденных шин. В то же время КЗ на шинах по условиям устойчивости энергосисте- мы и работы потребителей требуют быстрого отключения. Характерным примером неселективного действия резервных РЗ ЛЭП может служить подстанция с двумя выключателями на каждом присоединении (рис. 20.1). При КЗ, например, на первой (7) системе шин (СШ) РЗ 1 и 2 отключают соответст- вен© выключатели Q1 и Q2, лишая питания обе СШ (1 и 17), хотя при данной схеме соединений имеется возможность со- хранить в работе всю подстанцию, отключив только выклю- чатели Q3 и Q4. Такая ликвидация повреждения может быть обеспечена только с помощью специальной РЗ шин. Для прекращения КЗ на шинах их РЗ должна действовать на отключение всех присоединений, питающих шины. В связи с Рис. 20.1. Схема подстанции с двумя вы- ключателями на каждом присоедине- нии. Выключатели, отключаемые за- щитой при КЗ на первой (/) системе шин, заштрихованы 734
этим специальные РЗ шин приобретают особую ответствен- ность, так как их неправильное действие приводит к отклю- чению целой электростанции или подстанции либо их секций. Поэтому принцип действия РЗ шин и их практическое выпол- нение (монтаж) должны отличаться повышенной надежностью, исключающей возможность их ложного срабатывания. В качестве быстродействующей и селективной РЗ шин полу- чила распространение защита, основанная на дифферен- циальном принципе. 20.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ШИН Дифференциальная РЗ шин (ДЗШ) (рис. 20.2) основывается на том же принципе, что и рассмотренные ранее дифферен- циальные РЗ ЛЭП, трансформаторов и генераторов, т. е. на сравнении значений и фаз токов, приходящих к защищаемому элементу (в данном случае к шинам ПС) и уходящих от него. Для питания ДЗШ на всех присоединениях устанавливаются ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации Kj (независи- мо от мощности присоединения). Дифференциальное реле 1 подключается к ТТ всех присо- единений, так чтобы при первичных токах, направленных к шинам, в нем проходил ток, равный сумме токов всех при- соединений, т. е. /р = SJnp- Тогда при внешних КЗ Z/np = 0 и реле не будет действовать, а при КЗ в зоне (на шинах) Z/пр равна сумме токов КЗ, притекающих к месту повреждения, и ДЗШ работает. Первичные обмотки всех ТТ подключаются к шинам одноименными зажимами; все вторичные обмотки ТТ соединяются параллельно одноименной полярностью, и к ним подключается реле 1. При внещнем КЗ (точка К на рис. 20.2) ток КЗ Ц, идущий от шин к месту КЗ по поврежденной ЛЭП W4, равен сумме токов, притекающих к шинам от источников питания (по линиям WI, W2, W3): /4 = Zi + А + 1з- (20.1) Из токораспределения, показанного на рис. 20.2, видно, что вторичные токи [1В, 12в и 1ЗВ, соответствующие первичным токам, притекающим к шинам, направлены в обмотке реле противоположно вторичному току 14В (первичный ток которого 735
Рис. 20.3. Токораспределение во вторичных цепях дифференциальной защиты при КЗ на шинах утекает от шин). Ток в реле Zp = (_Лв + + Ьв) - (20-2) Выражая вторичные токи через первичные и учитывая ра- венство (20.1), получаем, что ток /р = Ц/Kj + I2/Kj + I3/Kj - Ц/Kj = 0. Следовательно, если пренебречь погрешностями ТТ, то при внешних КЗ ток в реле отсутствует. С учетом токов намагни- чивания вторичные токи ТТ Zib ~ - 7нам1» 2ав ~ ~ /намг И Т. Д. Подставив эти значения вторичных токов в выражение (20.2), получим 2р = /намд — (/нам1 + /намз + /намз) = /нб • (20.3) Это выражение позволяет сделать вывод, что вследствие погрешности ТТ в реле появляется ток небаланса /нб> равный 736
геометрической разности токов намагничивания ТТ на повреж- денном присоединении W4 и ТТ всех остальных неповрежден- ных присоединений (WJ, W2, W3), по которым ток КЗ прите- кает к шинам. В общем случае 1нб = /нам.повр.пр “ /нам.неповр.пр- (20.3а) Защита не будет действовать при условии, что ток срабаты- вания реле будет больше максимального тока небаланса, воз- никающего при I^max во время внешнего КЗ: А:.р > А<б max • При КЗ на шинах (рис. 20.3) по всем присоединениям, имею- щим источники питания (генераторы), ток КЗ направляется к месту повреждения, т.е. к шинам подстанции. Вторичные токи направлены в обмотке реле одинаково, поэтому ток в реле равен их сумме: 1Р = (Ц +12 + /3 + /4)/К;. (20.4) Так как + 12 + 13 + 14 = 1К, то /р=/к/К/. (20.5) Выражение (20.5) показывает, что при КЗ на шинах ДЗШ реагирует на полный ток /к в месте КЗ. Защита будет дей- ствовать, если 1К > 1С 3. В нормальном режиме сумма токов, приходящих к шинам, всегда равна сумме токов, отходящих от шин, поэтому ток в реле равен нулю: /р = 0. Из-за погрешности ТТ в реле появляет- ся ток небаланса, который невелик в нормальном режиме и увеличивается при внешнем КЗ. 20-3. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДЗШ Ограничение тока небаланса. Ток небаланса может вызвать неправильную работу РЗ, поэтому принимаются меры к огра- ничению его значения. Выражение (20.3) показывает, что для уменьшения тока небаланса необходимо умень- 737
Рис. 20.4. Характеристика намагничи- вания трансформатора тока диффе- ренциальной защиты шить разность между намагничивающим током /4Нам ТТ на поврежденном присоединении, по которому проходит наи- больший ток КЗ, и суммой намагничивающих токов 11Нам + + ^анам + Азнам остальных присоединений (ИЛ/, W2, W3). Как из- вестно (см. гл. 3), /нам ТТ зависит от значения его вторичной ЭДС Е2 (рис. 20.4). Чем больше ток КЗ, проходящий через ТТ, тем больше Е2, а следовательно, и ток /нам. При внешнем КЗ наибольший ток проходит через ТТ поврежденного присоедине- ния, поэтому его /нам и погрешность максимальны. По ТТ остальных присоединений проходит лишь часть это- го тока, благодаря чему их токи намагничивания значитель- но меньше. Особенно неблагоприятным является такое соот- ношение вторичных ЭДС, при котором ТТ поврежденного присоединения работают в насыщенной части (точка 4 на рис. 20.4), а все остальные - в прямолинейной части характери- стики намагничивания (точки 1, 2 и 3). При этих условиях раз- ница токов намагничивания в выражении (20.3) имеет наи- большее значение. Поэтому для уменьшения небаланса нуж- но обеспечить условия, при которых все ТТ работают при внеш- них КЗ в ненасыщенной части характеристики. С этой целью необходимо: а) применять однотипные ТТ, у которых насыщение проис- ходит при возможно больших токах /к; наилучшими с этой точ- ки зрения являются ТТ класса Р(Д), которые и рекомендует- ся применять для ДЗШ; б) уменьшать кратность тока 1К к номинальному току ТТ, увеличивая их коэффициент трансформации К;; в) уменьшать нагрузку на ТТ, уменьшая и вторичный ток /в; первое достигается за счет увеличения сечения и сокра- 738
щения длины соединительных проводов, а второе - примене- нием одноамперных ТТ или вспомогательных трансформато- ров, понижающих ток в соединительных проводах. Выбор ТТ и определение допустимой нагрузки ZH на них производится по кривым предельной кратности токов при 10 %-ной погрешности. Отстройка дифференциальных реле от тока небаланса. Для улучшения отстройки от повышенных токов небаланса в не- установившемся режиме, когда они могут достигать больших значений за счет влияния апериодической составляющей тока КЗ, сильно намагничивающей сердечник ТТ, в ДЗШ, так же как и в других дифференциальных РЗ, применяются реле с насыщающимися ТТ. Последние не пропускают в реле апериодическую составляющую Ihq. Защита выполняется с помощью реле типа РНТ-565 - при одинаковых коэффициентах трансформации ТТ или типа РНТ-567 - в схемах с ТТ, имеющими разные коэффициенты трансформации. Реле РНТ-567 имеет две независимые рабочие обмотки w, и w2 и выполняется в двух модификациях - на 5 и 1 А вторичного тока. Разработана схема более совершенной ДЗШ с торможением типа ДЗШТ, которая обеспечивает лучшую отстройку от 1нб при внешних КЗ и может применяться, когда простая ДЗШ не удовлетворяет требованиям чувствительности. Контроль исправности токовых цепей. В случае обрыва или шунтирования фазы вторичной цепи ТТ одного из присоедине- ний ток от оборванной или зашунтированной фазы не посту- пает в дифференциальные реле, в результате чего ДЗШ может неправильно сработать и отключить всю подстанцию или электростанцию. Для предупреждения неправильной работы ДЗШ под влияни- ем тока нагрузки оборванной фазы дифференциальные реле отстраиваются от тока нагрузки наиболее загруженного при- соединения. Кроме того, в нулевом проводе дифференциальных реле устанавливается чувствительное токовое реле КАО (рис. 20.5), которое, срабатывая, при обрыве или шунтировании фазы вто- ричной цепи с выдержкой времени выводит ДЗШ из действия и подает предупредительный сигнал. Реле КАО дополняется миллиамперметром РтА, при помощи которого можно обнару- 739
Рис. 20.5. Схема дифференциальной защиты шин для подстанции с одной рабочей и одной резервной системами шин: а - цепи токов; б- цепи оператив- ного тока зхг жить не только обрыв, но и ухудшение контакта в цепи какой- нибудь фазы или витковое замыкание в ТТ, вызывающее уве- личение тока небаланса в нулевом проводе. 20.4. СХЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАШИТ ШИН [59] Схема дифференциальной защиты шин для подстанций с одной рабочей и второй резервной системами шин. Подстан- ция, схема которой изображена на рис. 20.5, нормально работает на одной СШ (рабочей), на которую включены все присоеди- нения. Шиносоединительный выключатель Q1 отключен. Вто- рая СШ (резервная) находится в резерве без напряжения. В схему ДЗШ электрических сетей с заземленной нейтралью входят три токовых реле КАТ типа РНТ, каждое из которых включено на разность токов ТТ одноименных фаз всех при- соединений подстанции. Для подстанции 35 кВ сети с изоли- рованной нейтралью применяется аналогичная схема, но в двухфазном исполнении. Реле КАТ, срабатывая при КЗ в зоне ДЗШ, подают плюс на обмотки KL1 и KL2, первое из которых 740
отключает все присоединения, а второе - шиносоединитель- ный выключатель. Трансформаторы тока шиносоединительного выключателя нормально не подключены к токовым цепям ДЗШ. Сделано это для того, чтобы при подаче напряжения на резервную СШ включением шиносоединительного выключателя во время опробования она оказалась в зоне ДЗШ. Благодаря этому, если в момент опробования резервной СШ на ней возникает КЗ, будет обеспечено быстрое отключение повреждения. При этом целесообразно отключить только шиносоединительный выклю- чатель, сохранив в работе неповрежденную рабочую СШ. В рас- сматриваемой схеме это обеспечивается с помощью дополни- тельного промежуточного реле, размыкающий контакт кото- рого KL3.1 включен в цепь обмотки выходного промежуточно- го реле KL1. Реле KL3 срабатывает при подаче импульса от ключа управления SA на включение шиносоединительного выключателя Q1 и размыкает цепь обмотки реле KL1. Если при этом вследствие включения на поврежденную резервную СШ подействуют реле КАТ, произойдет отключение только шиносоединительного выключателя от реле KL2, так как цепь обмотки реле KL1 будет разомкнута контактом KL3.1. После включения шиносоединительного выключателя и возврата ключа управления SA реле KL3 вернется, восстанавливая цепь обмотки KL1. Для того чтобы предотвратить ненужный вы- вод ДЗШ из действия при многократном опробовании выве- денного в ремонт шиносоединительного выключателя, преду- смотрена накладка SX2, шунтирующая контакт KL3.1 промежу- точного реле с замедлением на возврат 1-2 с. Если шиносоединительный выключатель включен длитель- но в работу при использовании его вместо ремонтируемого выключателя одного из присоединений, его токовые цепи под- ключаются к токовым цепям ДЗШ с помощью испытательного блока. Вывод из работы ДЗШ при неисправности токовых цепей осуществляется с помощью реле КАО, реле времени КТ и про- межуточного реле KL4, которое, сработав, самоудерживается через контакт KL4.1 и снимает с ДЗШ ’’плюс” размыкающим контактом KL4.2. Возврат схемы в нормальное положение осуществляется после восстановления токовых цепей нажа- тием кнопки SB1. Приведенная на рис. 20.5 схема блокировки ДЗШ при неис- правности токовых цепей имеет недостаток, заключающий- 741
ся в том, что она работает лишь при нарушении одного или двух проводов данного плеча ДЗШ. В случае же, если цепь данного плеча будет нарушена полностью, т. е. будут отсут- ствовать все три фазы, блокировка не подействует, поскольку ток в нулевом проводе отсутствует. Для исключения этого недостатка в качестве пускового реле, фиксирующего неис- правность токовых цепей, может использоваться трехфазное токовое реле типа РТ-40/Р, каждая обмотка которого включа- ется последовательно с обмоткой реле ДЗШ. Такой пусковой орган будет срабатывать при нарушении одного из плеч токо- вых цепей. Схема дифференциальной защиты шин для подстанций, работающих на двух системах шин с фиксированным распреде- лением присоединений. Особенность таких подстанций состо- ит в том, что в работе находятся две СШ, связанные секцион- ным или шиносоединительным выключателем (рис. 20.6). Каждое присоединение включается на определенную СШ, и это распределение остается неизменным, т. е. фиксируется. Для правильной ликвидации повреждений ДЗШ должна обес- печивать селективное отключение КЗ на каждой СШ, отклю- чая шиносоединительный выключатель и все присоединения, включенные на повредившиеся шины. Селективность может быть достигнута применением двух самостоятельных комплек- тов ДЗШ, охватывающих каждую СШ. Однако такая схема будет иметь два недостатка: при включении всех присоединений на одну СШ ДЗШ будет работать неселективно при внеш- них КЗ; ДЗШ не обеспечит селективность при внешних КЗ в случае вынужденного нарушения фиксации присоединений. В обоих случаях ДЗШ пришлось бы отключать во избежание ее неселективной работы. Для обеспечения селективности в указанных режимах применяется схема с тремя комплекта- ми ДЗШ. Комплект реле КАТ1 предназначается для защиты пер- вой СШ. Он включается по дифференциальной схеме на ТТ всех присоединений, закрепленных за первой системой шин, и дейст- вует на их отключение. Комплект реле КАТ2 служит для защи- ты второй СШ. Его реле питаются от дифференциально соеди- ненных ТТ присоединений, закрепленных за второй СШ, и дей- ствуют на их отключение. Комплект КАТЗ является ДЗШ обе- их СШ. Он включен на сумму токов, проходящих через реле КАТ1 и КАТ2, и оказывается дифференциально подключен- 742
Рис. 20.6. Принципиальная схема в однофазном исполнении дифференциальной защиты шин для подстанций с фиксированным распределением присоедине- ний: а — цепи токов; б — цепи оперативного тока ным к ТТ всех присоединений аналогично схеме рис. 20.5. Комплект КАТЗ действует при КЗ на шинах как первой, так и второй СШ. При внешних КЗ он не работает независимо от того, как распределены по СШ присоединения. Реле комплек- та КАТЗ подают ’’плюс” оперативного тока на реле комплек- тов КАТ1 и КАТ2 и производят отключение шиносоединитель- ного выключателя. В случае соблюдения принятой фиксации присоединений все три комплекта не работают при внешних КЗ. При КЗ на шинах первой СШ действуют комплекты КАТ1 и КАТЗ. Для комплек- та КАТ2 это КЗ является внешним, и поэтому он не работает. В случае КЗ на второй СШ комплект КАТ1 ДЗШ не работает - для него КЗ внешнее. Комплекты же КАТЗ и КАТ2 приходят 743
в действие и отключают все присоединения второй (повреж- денной) СШ. При нарушении фиксации присоединений индивидуальные комплекты КАТ1 и КАТ2 становятся неселективными и вре- менно, до выполнения переключений в цепях переменного и оперативного токов, их необходимо вывести из действия. Это осуществляется с помощью рубильника QS1 (рис. 20.6, б), при включении которого срабатывает промежуточное реле KL5: контакты этого реле шунтируют контакты токовых реле инди- видуальных комплектов КАТ1 и КАТ2. При этом в работе со- храняется только суммарный (пусковой) комплект КАТЗ. В случае КЗ во внешней сети ДЗШ не работает, так как, несмот- ря на изменение фиксации присоединений, суммарный комп- лект остается селективным, поскольку к нему подключены токовые цепи присоединений обеих систем шин. При КЗ на лю- бой из СШ суммарный комплект подействует на отключение всех присоединений обеих СШ. Для уменьшения нагрузки на ТТ и снижения тока небалан- са при внешних КЗ при работе с нарушенной фиксацией целе- сообразно также объединить вторичные цепи всех ТТ с по- мощью рубильника QS2, устанавливаемого в токовых цепях в распределительном устройстве. Замкнутое положение ру- бильников QS1 и QS2 сигнализируется. В схемах подстанций с двумя рабочими СШ при одном вы- ключателе на присоединение обычно предусматриваются спе- циальная резервная (обходная) СШ и обходной выключатель, который вводится в работу для замены выводимого в ремонт рабочего выключателя любого присоединения. Токовые цепи обходного выключателя нормально отключены и подключают- ся к одному из индивидуальных комплектов ДЗШ (KATJ или КАТ2) при вводе обходного выключателя в работу. Обходной выключатель может использоваться для опробо- вания СШ, находящейся без напряжения. При этом, поскольку токовые цепи обходного выключателя отключены от ДЗШ, КЗ на опробуемой СШ окажется в зоне действия ДЗШ, которая подействует на его отключение. Для того чтобы в рассматри- ваемом случае обеспечить селективное отключение КЗ, преду- смотрен вывод из действия индивидуальных комплектов ДЗШ (КАТ1 и КАТ2) контактом промежуточного реле KL7.1 (анало- гично схеме на рис. 20.5). Накладка SX2 замыкается оператив- ным персоналом перед подачей команды на включение об- 744
ходного выключателя. Для резервирования предусмотрен ввод ДЗШ в действие контактом реле времени КТ2.1, шунти- рующим контакт KL7.1. Пуск КТ2 осуществляется контактом KL2.1 при срабатывании суммарного комплекта ДЗШ. В рас- сматриваемой схеме аналогично рис. 20.5 предусмотрен вывод ДЗШ из действия в случае неисправности токовых цепей. В схеме, приведенной на рис. 20.6, ТТ установлены только с одной стороны шиносоединительного выключателя, напри- мер со стороны СШ II. При таком расположении ТТ в случае КЗ между ними и шиносоединительным выключателем сра- ботает индивидуальный комплект ДЗШ КАТ1 и отключит ши- носоединительный выключатель и все присоединения СШ I. Это, однако, не приведет к ликвидации КЗ, которое останется связанным с СШ II. Второй индивидуальный комплект ДЗШ КАТ2 при этом повреждении не сработает, так как оно распо- ложено вне зоны его действия. Ликвидация КЗ при рассматри- ваемом повреждении возлагается обычно на специальное устройство, так называемое устройство резервирования при от- казе выключателя (УРОВ), которое в данном случае подейству- ет и спустя 0,3-0,5 с даст импульс на отключение всех присоеди- нений СШ II (см. гл. 21). Чувствительный комплект защиты шин для действия при опробывании поврежденной системы шин. При подаче от од- ного из присоединений напряжения на поврежденную СШ вручную или после действия АПВ ток КЗ будет значительно меньше, чем при повреждении, возникающем на шинах в пол- ной схеме. Если чувствительность ДЗШ при этом оказывается недостаточной, предусматривается дополнительный чувстви- тельный комплект, который вводится в работу кратковременно при действии ДЗШ. Упрощенная схема оперативных цепей чувствительного комплекта приведена на рис. 20.7, а. В этой схеме показан кон- такт токового реле КАТ3.1 чувствительного комплекта для одной из фаз: это реле, срабатывая, подает ’’плюс” на обмотку промежуточного реле KL9; последнее замыкает цепь выход- ных промежуточных реле соответствующей СШ. ’’Плюс” в схе- му подается после замыкания размыкающих контактов KL1.2 и KL1.3 (см. рис. 20.6, б). Выходная цепь чувствительного комплекта ДЗШ нормально выведена из действия замыкающим контактом К1Д0..3(рис. 20.7). Реле KL10 срабатывает при действии на отключение основ- 745
Рис. 20.7. Упрощенная принципиаль- ная схема цепей чувствительного комплекта защиты щин Рис. 20.8. Схема включения реле, осу- ществляющего запрет АПВ ного комплекта ДЗШ соответствующей СШ KL3.1 и самоудер- живается через замыкающий контакт KL10.1, пока не будет деблокирован размыкающим контактом KL11.1. Деблокиров- ка KL10 осуществляется после того, как доработает реле вре- мени КТЗ, в цепи обмотки которого включен замыкающий кон- такт KL10.2. При использовании в схемах ДЗШ ТТ с номиналь- ным током 5 А в качестве чувствительного органа рекоменду- ется использовать реле РТ-40/2, РТ-40/6, РТ-40/10, а при исполь- зовании ТТ с номинальным током 1 А РТ-40/0,6 или РТ-40/2. Реле тока чувствительного комплекта должны быть отстроены от /Нб при самозапуске нагрузки и бросках тока намагничива- ния трансформаторов, не отключаемых при действии ДЗШ. Наряду с описанными функциями (повышение чувствитель- ности ДЗШ при опробовании шин) схема, приведенная на рис. 20.7, а, обеспечивает самоудерживание выходных проме- жуточных реле через контакты чувствительного комплекта, что повышает надежность пуска УРОВ после ДЗШ. Ввод в дей- ствие чувствительного комплекта ДЗШ осуществляется также при подаче напряжения на поврежденную СШ после неуспеш- ного АПВ. Для этого в цепи отключения выключателя присо- единения, от которого опробуется поврежденная СШ, парал- 746
лельно контакту выходного реле ДЗШ KL3.2 (рис. 20.7,6) под- ключается цепочка из последовательно замыкающих контак- тов: KL9.2 (реле-повторитель контактов токовых реле чувстви- тельного комплекта); KL13.1 (реле контроля отсутствия на- пряжения на шинах, см. ниже) и КСС1 (реле команды ’’Вклю- чить”). Таким образом, в случае подачи напряжения на повреж- денную СШ выключателем Q он будет отключен действием чувствительного комплекта ДЗШ. Самоудерживание выходных промежуточных реле осуще- ствляется через замыкающий контакт KL12.2 реле KL12, об- мотка которого постоянно обтекается током через размыкаю- щий мгновенный контакт реле времени КТ3.1. После пуска реле времени и размыкания контакта КТ3.1 реле KL12 вернет- ся, разомкнет контактом KL12.1 выходную цепь самоудержи- вания и подготовит контактом KL12.2 выходную цепь чув- ствительного комплекта ДЗШ через обмотку указательного реле КНЗ. В схеме ДЗШ предусмотрены специальные цепи запрета АПВ присоединений; благодаря этому осуществляется однократное автоматическое опробование поврежденной СШ. Запрет АПВ осуществляется контактами реле KL13.1, схема включения которого показана на рис. 20.8. Запрет АПВ осуществляется в следующих случаях: если после срабатывания ДЗШ (замкнут контакт KL10.4) и возвращения выходного реле (замкнут кон- такт KL3.1) на шинах подстанции остается напряжение (замк- нут контакт KL14.1), что происходит при отказе в отключении выключателя одного из присоединений; если при автоматиче- ской подаче напряжения на СШ действием устройства АПВ одного из присоединений подействует чувствительный комп- лект ДЗШ (замкнется контакт KL9.2), что говорит о наличии устойчивого повреждения на шинах; после первого срабатыва- ния ДЗШ (если включена накладка SX3); при срабатывании УРОВ. Контроль наличия напряжения на шинах осуществляется с помощью реле напряжения KV1, включенного на междуфаз- ное напряжение, и KV2, включенного на напряжение НП. При срабатывании любого из этих реле размыкается цепь об- мотки реле KL14, которое контактом KL14.1 подготавливает цепь запрета АПВ. Особенности выполнения токовых цепей защиты при нали- чии на подстанции ТТ с разными коэффициентами трансфор- 747
MT! К нейтральному проводу Рис. 20.9. Схема включения реле диф- ференциальной защиты шин при на- личии на подстанции ТТ с разными коэффициентами трансформации мации. В ряде случаев на подстанции устанавливаются ТТ с разными коэффициентами трансформации. Так, например, на понижающей подстанции коэффициент трансформации ТТ, установленных в цепи мощных АТ, в 2-3 раза превышает ко- эффициент трансформации ТТ, установленных на ЛЭП. Обыч- но число разных коэффициентов на подстанции не превышает двух. Для компенсации разности вторичных токов при этом ис- пользуется специальная схема включения токовых реле типа РНТ-567, показанная на рис. 20.9. Токовые цепи от ТТ с одина- ковыми коэффициентами трансформации собираются вместе и подводятся к соответствующим обмоткам реле РНТ-567. При этом реле индивидуальных и суммарного комплектов включены по-разному. В реле индивидуальных комплектов токовые цепи от каждой группы ТТ с одинаковыми коэффи- циентами трансформации подключаются к своей обмотке. Число витков этих обмоток выбирается таким образом, чтобы в нормальном режиме, а также при внешних КЗ суммарная МДС в реле равнялась нулю. К реле суммарного комплекта токовые цепи подводятся так, что по одной обмотке проходит ток от группы ТТ с большим коэффициентом трансформации, а по другой - от групп ТТ с разными коэффициентами трансфор- мации. Такое включение обмоток реле суммарного комплекта обеспечивает лучшие условия по термической стойкости, бла- годаря чему предотвращается перегрев обмоток реле при нару- шении токовых цепей одного из плеч или одной из групп ТТ. Контроль исправности токовых цепей в рассматриваемой схеме можно выполнить аналогично рис. 20.5 с помощью токо- вого реле НП, включенного в общий нулевой провод токовых цепей ДЗШ. Следует иметь в виду, что при использовании двух групп ТТ с разными коэффициентами трансформации эта схема имеет недостаток, состоящий в том, что при наличии длитель- 748
Рис. 20.10. Принципиальная схема в однофазном исполнении дифференциаль- ной защиты шин для подстанции с двумя системами шин и с двумя выключа- телями на каждом присоединении ной несимметрии в первичной сети реле КАО может сработать и вывести ДЗШ из действия при исправных токовых цепях. Дифференциальная защита шин для подстанции с двумя системами шин и с двумя выключателями на каждом присо- единении. Каждая СШ оборудуется отдельной ДЗШ (ДЗШ! и ДЗШП), действующей на отключение выключателей своих шин (рис. 20.10). При КЗ на какой-либо СШ срабатывает ее ДЗШ, от- ключающая выключатели поврежденной СШ. Дифференци- альная защита другой (неповрежденной) СШ не действует, так как для нее это внешнее КЗ, благодаря чему все присоеди- нения остаются в работе, питаясь от оставшейся СШ. Каждая ДЗШ должна иметь устройство для контроля исправности то- ковых цепей. Дифференциальная защита шин для подстанций с двумя системами шин и менее чем с двумя выключателями на при- соединение. К подобным подстанциям относятся две схемы: с тремя выключателями на две цепи и с четырьмя выключате- лями на три цепи. Каждая СШ и в этом случае защищается своей собственной ДЗШ. Эти ДЗШ защищают также выключа- тели, связанные с соответствующими СШ (так же, как и в схеме с двумя выключателями на присоединение). Защита же сред- 749
них выключателей в цепочках, не входящих в зону действия обоих ДЗШ, и ошиновки, связывающей их с другими выклю- чателями, обеспечивается быстродействующими РЗ соответ- ствующих ЛЭП и трансформаторов. 20.5. УСТАВКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ШИН С РЕЛЕ ТИПА РНТ Ток срабатывания выбирается исходя из двух условий: 1) защита не должна действовать при обрыве вторичной то- ковой цепи в нормальном режиме, для этого 4.з “ ^отс 'н max » (20.6) где k0TC - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,2-1,25; JH max ~ максимальный ток нагрузки наиболее загруженного присоединения; 2) защита не должна действовать от токов небаланса при внешних КЗ, для этого Jd.3 = ^отс Азб max (20.7) При включении реле через насыщающийся трансформатор ток срабатывания отстраивается от тока небаланса в устано- вившемся режиме. Значение установившегося /нб max оценива- ется приближенно. Предполагается, что работает с погреш- ностью только ТТ, по которому проходит суммарный ток КЗ. При этом условии ток небаланса будет равен погрешности € этого ТТ, которая, в свою очередь, равна его току намагничи- вания /нам: Д<б — £ = Азам* Если е при максимальном значении тока КЗ не превышает 10%, что проверяется по кривым 10%-ных погрешностей, то 4б™х = °, 14 max. (20.8) где 1К тах - наибольший ток КЗ при внешних повреждениях. Окончательно ток срабатывания принимается равным боль- шему из двух полученных значений (20.6) и (20.7). Число витков рабочей обмотки РНТ-567, РНТ-565 определя- 750
ется по выражению w = lOOfCj//^, (20.9) где 100 - МДС срабатывания реле РНТ-567 и реле РНТ-565. При наличии в схеме подстанции двух групп ТТ с различны- ми коэффициентами трансформации число витков обмотки РНТ, подключаемой к ТТ с большим коэффициентом транс- формации, определяется по выражению (20.9), а число витков другой обмотки как идивидуальных, так и суммарного комп- лектов должно удовлетворять следующему условию: wx/w2 = Кп/К12, (20.10) Коэффициент чувствительности ДЗШ при минимальном токе КЗ на шинах должен быть не менее 2, а в режиме опробования может быть понижен до 1,5. Если коэффициент чувствительно- сти основной ДЗШ при опробовании оказывается менее 1,5, необходимо использовать специальную чувствительную ДЗШ, вводимую на время опробования. На короткозамкнутой обмот- ке реле РНТ целесообразно принимать отпайки АА или сопро- тивление R = 10 Ом. Ток срабатывания токового реле НП, контролирующего исправность токовых цепей, принимается минимально возможным. Так, например, при использовании реле типа РТ-40/0,6 ток срабатывания принимается равным 0,15 А. Выдержка времени реле времени контроля исправности токовых цепей принимается больше максимальной выдержки времени резервных РЗ в прилегающей сети (с запасом до 9- 10 с). • 20.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ШИН НО кВ И ВЫШЕ С ТОРМОЖЕНИЕМ В рассмотренных выше схемах дифференциальных защит шин в качестве измерительного органа защиты использовались реле тока с НТТ типа РНТ-560, отличающиеся простотой кон- струкции и надежностью отстройки от токов небаланса в пере- ходных режимах КЗ (см. гл. 10). Однако в установившемся ре- жиме ток срабатывания РНТ должен быть отстроен от /Нб max > значение которого определяется погрешностью ТТ (/с з = eJKmax). Чтобы обеспечить необходимую чувствительность защиты, 751
От TAL6, TALI (разы Рис. 20.11. Поясняющая структурная схема ДЗШт как было показано выше, погрешность е, для уменьшения то- ка срабатывания не должна превышать 10%. В тех случаях, когда погрешность ТТ не удается ограничить и она выходит за пределы 10%, ДЗШ с реле РНТ оказывается недостаточно чув- ствительной. В подобных случаях необходимо применять из- мерительный орган тока с торможением. Наличие торможе- ния (см. гл. 10) позволит (см. рис. 20.13) отстроить рабочий ток срабатывания от тока небаланса при е, > 10% и обеспечить тре- буемую чувствительность защиты (кч =» 2). На рис. 20.11 приведена схема ДЗШ с торможением, разрабо- танная проектным институтом ’’Энергосетьпроект” и широко применяемая в нашей стране для защиты шин подстанций 752
с двумя рабочими системами шин (А1 и А2) с фиксацией при- соединений между шинами. Рассматриваемая ДЗШТ может применяться и при других электрических схемах коммутации. Схема защиты дана упрощенно для одной фазы - фазы В. Принцип выполнения торможения, используемый в рассмат- риваемой защите. В защите с торможением должны формиро- ваться рабочий ток /р (называемый также дифференциаль- ным 1Д), действующий на отключение поврежденной системы шин и тормозной ток, противодействующий срабыванию защи- ты при внешнем КЗ. В качестве тормозного тока в дифференци- альных защитах линий, генераторов, трансформаторов исполь- зуется ток одного или обоих плеч защиты. Дифференциальные защиты шин, имеющих обычно несколько (п) присоединений, являются многоплечевыми схемами. В них для формирования дифференциального и тормозного токов используются токи и плеч всех присоединений. Для устранения влияния сдвига фаз между рабочим и тормозным токами эти токи выпрямляются. Дифференциальный ток 1Д получается путем геометриче- ского сложения переменных токов всех п присоединений с последующим выпрямлением полученной суммы /д= + Кп/2 + ... + Кп/П| = |zKn/,|. (20.11) Таким 'образом, ток 1Д является величиной, пропорциональ- ной геометрической сумме комплексов тока. Для получения тормозного тока 1Т производится выпрямление токов каждого плеча всех и присоединений, а затем их арифметическое сло- жение: Ъ = |КП111| + |W2| + - + l^nn/nl = ||^,Л|. (20.12) С помощью тока !% в схемах ДЗШ формируется тормозной ток. Тормозное реле, применяемое в данной ДЗШ, основано на сравнении абсолютных значений дифференциального тока 1П с тормозным током KjIT, где коэффициент торможения К? при- нимается всегда меньше единицы. Его значение выбирается исходя из условий надежной отстройки действия реле от не- баланса при внешнем КЗ и достаточной чувствительности реле при КЗ на защищаемых шинах. 753
Измерительный орган включается на разность дифферен- циального и тормозного токов; при этом ток в реле /р = /pag - - КГ1Т. Ток /раб = /п всегда равен геометрической сумме всех присоединений, согласно выражению (20.11). Ток /т может иметь два исполнения. По первому из них 1Т формируется по (20.12), как величина, пропорциональная арифметической сумме токов, т. е. /т = 1%. Тогда при внешнем КЗ /д = 0, а с учетом погрешностей ТТ /д = /нб- Тормозной ток КрД. должен быть больше /Нб- В случае КЗ в зоне ДЗШТ /д = /к в месте КЗ, при этом /р = /д - К^Ц. Это означает, что ток в реле из-за про- тиводействия Kf/T будет существенно меньше 1К. В рассматриваемой защите, с целью повышения чувствитель- ности, в качестве тормозного тока принят ток равный разно- сти между арифметической и геометрической суммами токов всех присоединений по (20.11) и (20.12). В соответствии с этим ток в реле /р = /д - = |г /,.| - кт ( г |/,| - [г . При таком исполнении при внешнем КЗ ток 1д равен 0 или, с учетом погрешностей, току небаланса; тормозной ток I/ * =» 1К ВН - ток КЗ при внешнем повреждении. При КЗ в зоне /д = 1К (в месте КЗ), тормозной ток близок к нулю (I? = 0), если фазы токов всех присоединений одинаковы. При этом условии геометрическая и арифметическая суммы равны друг другу. При различии фаз геометрическая сумма будет больше арифметической и хотя в этом случае Kj. 1т * 0, значение этого различия будет мало. Таким образом, при КЗ на шинах 1р ~ 1К вн, а /т близок к нулю. Для уяснения устройства ДЗШТ рассмотрим схему, приведен- ную на рис. 20.11. Конструктивно ДЗШТ выполняется в виде трех блоков: из- мерительного блока, блока логической схемы и блока проме- жуточных ТТ. Измерительный блок (основной - на рис. 20.11). В состав бло- ка входят следующие элементы: три пусковых органа, уста- новленных на каждой фазе (реле тока с торможением KAW1, KAW2, KAW3), односистемный избирательный орган балан- сного типа (реле тока KAW4), орган контроля исправности цепи тока (односистемное реле тока КА). 754
Рис. 20.12. Схема пускового органа одной фазы ДЗШТ Ток к пусковым органам ДЗШТ подводится через промежу- точные трансформаторы (ПТТ) TAL, которые необходимы для уменьшения тока до значения, допустимого для полупровод- никовых диодов. Одновременно применение ПТТ снижает нагрузку на основные ТТ вследствие уменьшения рабочего тока в соединительных проводах. Наличие у первичной обмотки ПТТ ответвлений позволяет использовать ДЗШТ в схемах с различными коэффициентами трансформации ТТ. Пусковой орган, схема которого приведена на рис. 20.12, содержит многополюсный выпрямительный мост ВМ, образо- ванный полумостами VD1, VDU, VD2, VD12, VD29, VD39, каждый из которых питается от вторичных обмоток ПТТ. Мост ВМ выпрямляет и суммирует входные токи, поэтому ток на выходе моста пропорционален арифметической сумме токов присоединений обеих систем шин данной фазы. Полу- мост VD45, VD46 обеспечивает выпрямление дифференциаль- ного тока /д. Резисторы R8 и R9 ограничивают значение тока в режиме открытия обоих диодов; рабочие R2, R3 и тормоз- ной R1 резисторы, входящие в схему сравнения рабочего и тормозного токов, служат для регулирования К?. Реагирующий орган имеет магнитоэлектрическое реле К с резистором R6, демпфирующим колебания рамки реле, защитными диодами (VD41-VD44), резистором R7, обеспечивающим необходимый диапазон регулирования начального тока срабатывания пуско- 755
вого органа, и сглаживающим фильтром-пробкой второй гармо- ники Cl, L. Комбинированный фильтр Dp2, С2, Dp3 и полумост VD30, VD40 обеспечивают дополнительное торможение от апериодической составляющей и высших гармоник дифферен- циального тока при насыщении ТТ. Комбинированный фильтр настроен на прохождение токов с частотой, отличной от 50 Гц (минимальное сопротивление фильтра - при частоте 150 Гц). При этом основная часть апериодической составляющей и выс- ших гармоник протекает через фильтр и, выпрямляясь мостом, создает дополнительное торможение. Ток, протекающий в обмотке реле К и вызывающий его сра- батывание, определяется соотношением дифференциального и тормозного токов /д и Iz, которые поступают в реле при КЗ. При однополупериодном выпрямлении средние значения токов Jz и 1д определяются из выражений: Г (|КП1 Л| + |КпЛ2| +... +|кп„2„|); (20.13) = i h | = 11 + Кп2 I2 -I-... + , (20.14) где I, - ток Z-го присоединения. Для получения аналитического выражения тока Iu.p (харак- теризующего работу реле К) ниже приводится система урав- нений, составленных согласно 1- и 2-му законам Кирхгофа с учетом положительного направления токов, поступающих в реле (см. рис. 20.12): 1^ -I2R2 -I3R3 + Iu.pRu,p = 0; (20.15) 1/2 п — 2|Кп1/,-| = Л +12; (20.16) V * |Кп,/,| = Л + /э; (20.17) ft 1^ I — = I2 + w (20.18) где - ток в цепи тормозного резистора R1; 12, 13 - токи 1~ в цепях рабочих резисторов R2, R3; I р - ток в цепи магнито- 756
электрического реле К; Rt - сопротивление тормозного рези- стора Ri, падение напряжения на котором противодействует срабатыванию реле; R2, R3 - сопротивления рабочих резисто- ров R2 и R3, падения напряжения на которых действуют на срабатывание реле; Ru p - сопротивление цепи реле К. Решив эту систему уравнений относительно тока полу- чим: v/T Г I Л 1 In. . I П | \ 1 Ад.р = f г К.7.1 - | г Кп , .(20.19) где К'= R2 + R3; К”= Rt; С учетом, что| Z КП12(|=/Д модуль дифференциального тока (геометрическая сумма токов присоединений), действующего на срабатывание, правую часть в (20.19) можно рассматривать как расчетный тормозной ток 1^, пропорциональный разности между арифметической суммой токов присоединений и гео- метрической суммой токов тех же присоединений. После со- ответствующих преобразований (20.19) [58] получим выражения тока в цепи реле К: Дд.р= If /,1-KJf |l,|-|f=^-1^1;, (20.19а) где К, = R2/(R2 + R3). Исходя из (20.19а) ПО схемы работает следующим образом. При КЗ на системе шин, считая, что токи присоединений совпадают по фазе, получим, что геометрическая и арифмети- ческая суммы равны. С учетом этого, 1Т = 0, а ток в реле ра- вен (геометрической сумме токов всех присоединений), т. е. току 1К в месте повреждения. При КЗ вне зоны геометрическая сумма токов равна нулю (пренебрегая небалансом). Это озна- чает, что ток /д = 0, а ток в реле равен тормозному току = л = Кг S |ji| = -KfIK при внешнем КЗ. Следовательно, ПО не дей- ствует. Таким образом, благодаря принятому способу торможе- ния, оно отсутствует при КЗ на шинах, что обеспечивает мак- симальную чувствительность защиты. 757
Рис. 20.13. Характеристика срабатывания пускового органа: 1 — при наличии торможения; 2 — при отсутствии торможения Характеристика срабатывания пускового органа в осях 1а = 2 /н и /т = S |ji| - I £ изображается прямой линией 1 (рис. 20.13) с углом наклона « = arctgKT. При отсутствии торможения характеристика изображается горизонтальной линией 2. По этой характеристике реле работа- ет при действии АПВ шин при автоматическом восстановлении напряжения на шинах после отключения возникшего на них КЗ. Такая автоматика предусмотрена в логической схеме ДЗШТ. Выбор уставок ПО сводится к выбору по условию отстрой- ки от ожидаемого тока небаланса тах при наибольшем зна- (3) чении 1К во время внешнего КЗ и к определению значе- ния /с<30. Ток выбирается по условию недействия ДЗШТ от то- ка нагрузки, появляющегося в случае обрыва провода в токо- вых цепях. Ток срабатывания ПО регулируется резистором R7, а коэф- фициент торможения - резистором R1. При К?, регулируемом до 0,6, обеспечивается правильная работа ДЗШ при погрешно- стях ТТ до 40%. Ток срабатывания ПО отстраивается от обрыва токовой цепи в нормальном нагрузочном режиме и регулиру- ется плавно в интервале (0,55 - 2,2)/ном или для цепей с пяти- амперными ТТ - от 2,75 до 11 А. Односистемный избирательный орган KAW4 (рис. 20.14), который обеспечивает выбор поврежденной СШ при всех ви- дах КЗ, содержит следующие элементы: два выпрямительных моста VD1-VD6 и VD7-VD12, включенных по схеме на циркуля- цию токов и обеспечивающих выпрямление и суммирование дифференциальных токов фаз соответственно I и II СШ с балластными резисторами R1-R12, ограничивающими отсос тока при открытии диодов шунтирующего моста; резисторы R14 и R15, образующие выходную цепь схемы сравнения (паде- 758
Рис. 20.14. Схема избирательного органа ния напряжения на них пропорциональны разности токов мостов); реагирующие органы (магнитоэлектрические реле 'К1 и К2, обеспечивающие выбор поврежденной СШ в зависимо- сти от направления токов в цепи обмоток реле, с защитными диодами VD13-VD16, сглаживающим фильтром-пробкой вто- рой гармоники L-С и резистором R13, регулирующим ток сра- батывания избирательного органа. Использование двух реле К1 и К2 объясняется отсутствием реле двустороннего дейст- вия с необходимыми параметрами. К двум выпрямительным мостам подводятся дифференци- альные токи всех трех фаз I и II СШ. Уставка избирательно- го органа зависит от вида повреждения и при одно-, двух- и трехфазном КЗ относится как 3:2: 1. С помощью резистора R13 уставка при однофазном КЗ может плавно изменяться в диапа- зоне (0,45 - 1,1)/ном. Уставка избирательного органа не отстраи- вается от токов небаланса при внешних КЗ в предположении, что при этом несрабатывание ДЗШ обеспечивается отстрой- кой ПО. Орган контроля исправности токовых цепей КА (рис. 20.15) включен на сумму токов всех фаз присоединений, включая ШСВ (в схеме участвуют по две обмотки ТТ каждой фазы ШСВ). Орган контроля срабатывает при обрыве одной, двух или трех фаз в цепях присоединений при токе нагрузки более (0,055 - 0,07)1НОЧ. что соответствует 0,275-0,35 А при пяти- амперных ТТ. Регулировка уставки выполняется резистором R1. 759
MWI'KAWJ Рис. 20.15. Схема органа конт- роля исправности цепей тока Орган контроля исправности токовых цепей может использо- ваться и как чувствительный орган ДЗШ. Имеется возмож- ность в режимах АПВ выполнять автоматическое загрубление уставки этого реле. Реагирующими органами пусковых и избирательных органов являются магнитоэлектрические реле типа М-237/055, имеющие ток срабатывания 100 мкА и достаточно жесткую пружину, обеспечивающую четкий возврат подвижной системы реле при отключении токов КЗ. Поскольку контактная система реле допускает работу при напряжении оперативного тока 70-125 В, в схеме оперативных цепей введено стабилизированное на- пряжение 100-110 В. От контактов магнитоэлектрических реле работают промежуточные реле типа РМУГ. 2Q.7. ЗАЩИТА ШИН 6-10 кВ На электростанциях и подстанциях с реактированными ЛЭП применяются специальные ДЗШ 6-10 кВ, обеспечивающие быст- рое отключение КЗ, возникающих на шинах. В схеме неполной ДЗШ токовые реле KAI, КА2 включены на сумму токов всех источников питания - генераторов, трансформаторов связи с энергосистемой и секционного выключателя (рис. 20.16, а). Защита шин выполняется в двухфазном исполнении. Непол- ная ДЗШ выполняется двухступенчатой: первая ступень - токовая отсечка (КА1), предназначенная для действия при КЗ на шинах (Кх); вторая ступень - МТЗ (КА2), предназначенная для резервирования РЗ отходящих линий при КЗ за реактора- ми (К2). При КЗ на соседней секции в генераторе или трансформаторе ДЗШ в действие не приходит, так как эти КЗ являются внешними. От тока нагрузки, проходящего через реле, ДЗШ должна быть отстроена. 760
Рис. 20.16. Схема неполной дифференциальной защиты шин: а - цепи тока; б - цепи оперативного постоянного тока При КЗ за реактором одной из отходящих ЛЭП (К2) в реле ДЗШ будет проходить ток, равный сумме тока КЗ /к и тока на- грузки остальных, неповрежденных ЛЭП данной секции /н. Для предотвращения срабатывания первой ступени ДЗШ в этом случае ее ток срабатывания выбирается по следующему выражению: k.3 = W4 + *сзп*н)> (20.20) где котс “ 1,2; ксзп - коэффициент нагрузки, учитывающий уве- личение тока самозапуска электродвигателей при КЗ за реак- тором, принимается равным 1,2-1,3. Ток срабатывания первой ступени ДЗШ должен быть также отстроен от КЗ за ТСН. Ток срабатывания второй ступени ДЗШ отстраивается от максимального тока нагрузки с учетом само- запуска электродвигателей: 4.3 = котс кСЗП VkB- (20.21) Первая ступень ДЗШ действует без выдержки времени на отключение всех источников питания, за исключением генера- торов, отключение которых осуществляется их МТЗ (рис. 20.16, б). Вторая ступень ДЗШ действует с выдержкой вре- мени, отстроенной от максимальной выдержки времени РЗ отходящих ЛЭП, на отключение трансформаторов, секционных и шиносоединительных выключателей. Обычно на второй сту- пени ДЗШ предусматривается также и вторая выдержка вре- 761
мени, с которой она действует на отключение генераторов, подключенных к поврежденной секции шин, если после от- ключения трансформаторов, секционных и шиносоединитель- ных выключателей КЗ не устранится. Чувствительность первой ступени ДЗШ при двухфазном КЗ на шинах подстанции долж- на быть не менее 1,5, а второй ступени при КЗ реактором - не менее 1,2. На рис. 20.16 показан шиносоединительный выключатель, цепи которого при его наличии должны подключаться к токо- вым цепям ДЗШ. При этом на время опробования резервной системы шин через шиносоединительный выключатель его токовые цепи должны быть отключены от ДЗШ, а в схеме РЗ должно быть предусмотрено устройство, автоматически выво- дящее действие ДЗШ на все присоединения, за исключением шиносоединительного выключателя, аналогично тому, как это было описано выше для полной ДЗШ. Если первая ступень неполной ДЗШ не обеспечивает необ- ходимой чувствительности при КЗ на шинах, может применять- ся неполная дистанционная ДЗШ. При этом обычно использу- ется схема с одним PC, цепи напряжения которого переключа- ются в зависимости от вида КЗ. Уставка срабатывания PC от- страивается от КЗ за реактором. Пусковые токовые реле ис- пользуются в качестве второй ступени аналогично рассмот- ренной выше схеме. На крупных электростанциях и подстанциях иногда не уда- ется обеспечить необходимую чувствительность при КЗ за реакторами ЛЭП. Предложен ряд способов, позволяющих обес- печить отключение КЗ за реакторами. Так, например, к токо- вым цепям неполной ДЗШ подключаются ТТ, установленные на ЛЭП, несущих наибольшую нагрузку. Исключение части тока нагрузки позволяет повысить чувствительность второй ступени ДЗШ. При этом для отключения КЗ за реакторами ЛЭП, ТТ которых оказались подключенными к цепям ДЗШ, используются специальные МТЗ, установленные на этих ЛЭП. На наиболее длинных ЛЭП, чувствительность при КЗ в конце которых неполной ДЗШ неудовлетворительна, используются специальные МТЗ, также действующие на отключение всех присоединений соответствующей секции шин. Такая МТЗ мо- жет выполняться как на отдельных ЛЭП, так и общей на не- сколько ЛЭП. 762
a) KA! 6) Рис. 20.17. Максимальная токовая защита трансформатора с ускорением при отсутствии тока в отходящих ЛЭП: а — первичная схема; б — схема цепей оперативного тока Для быстрого отключения КЗ на шинах 6-10 кВ применяется также ускорение МТЗ питающего трансформатора при отсут- ствии пуска РЗ любого из присоединений, отходящих от шин. Однофазная схема такой РЗ приведена на рис. 20.17. При КЗ на шинах низшего напряжения подстанции (в точке К1) срабо- тают токовые реле КА1 МТЗ трансформатора и не сработает ни одно из токовых реле МТЗ отходящих ЛЭП (КА2, КАЗ, КА4). При этом после замыкания быстродействующего контакта реле времени КТ1.1 через остающийся замкнутым контакт KL2.1 будет подан ’’плюс” на обмотку промежуточного реле KL1, которое, сработав, подает команду на отключение выключате- ля трансформатора. В случае повреждения на одной из отходящих ЛЭП (напри- мер, в точке К2) подействуют соответствующие токовые реле (в рассматриваемом случае КА2) и реле времени КТ2, которое быстродействующим контактом KT2.I замкнет цепь обмотки промежуточного реле KL2. Последнее, сработав, разомкнет контакт KL2.1, предотвращая действие МТЗ трансформатора без выдержки времени. 763
На электростанциях и подстанциях с большим числом от- ходящих ЛЭП 6—10 кВ, которые питают потребителей, не до- пускающих длительного снижения напряжения на питающих шинах, когда не удается выполнить неполную ДЗШ, применя- ется полная ДЗШ, токовые цепи которой подключаются к ТТ всех присоединений защищаемой секции. Полная ДЗШ дей- ствует без выдержки времени. 20.8. ЗАЩИТА ШИН ТИПА ПДЭ-2006 НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ Чебоксарским электроаппаратным заводом выпускается ДЗШТ типа ПДЭ-2006 на базе ИМС. Эта ДЗШТ предназначена для защиты одиночных СШ и ошиновки подстанций 500-750 кВ. Защита содержит три пофазных ПО, орган непрерывного и тес- тового контроля исправности РЗ. В отличие от предыдущей ДЗШТ торможение осуществляется арифметической суммой токов присоединений: = L (20.12), а рабочим током служит дифференциальный ток /д (20.11). При использовании выклю- чателей с двумя ЭО на фазу защита ПДЭ-2006 применима для схем с числом присоединений до четырех. Номинальные данные ПДЭ-2006: переменный ток 1 А, 100 В, 50 Гц; напряжение оперативного постоянного тока 220 В, пере- менного тока схемы контроля 380 В. Характеристики срабаты- вания ПО представляют собой наклонные прямые (см. рис. 20.13). Ток срабатывания ПО при отсутствии торможения 0,45-2 А. Коэффициент торможения регулируется плавно в пределах 0-0,65. Время действия ДЗШТ при двукратном токе срабатывания не более: 0,025 с - бесконтактный выход; 0,04 с - контактный выход. Устройство и параметры защиты ПДЭ-2006 подробно рассмот- рены в [48]. Вопросы для самопроверки 1. Как выполняется защита сборных шин при фиксированном присоединении элементов? 2. Почему защита сборных шин 10-35 кВ выполняется в двух- фазном исполнении, а защита шин НО кВ и выше - в трехфаз- ном? 764
3. Как выполняется дифференциальная защита шин при различных коэффициентах трансформации трансформаторов тока, установленных на элементах присоединения? 4. В чем особенности схемы и расчета неполной дифферен- циальной защиты шин генераторного напряжения? Глава двадцать первая РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕЙНЫХ ЗАЩИТ И ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 21.1. НЕОБХОДИМОСТЬ И СПОСОБЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ При ликвидации КЗ отмечаются случаи отказов в действии РЗ и выключателей. С ними нельзя не считаться, поскольку отказ РЗ или выключателя означает неотключение КЗ, а следо- вательно, длительное прохождение токов КЗ и снижение на- пряжения в сети. Наряду с принятием мер по повышению надежности действия РЗ и выключателей, особо важное значе- ние приобретает резервирование отключения КЗ в случае от- каза выключателя или действующей на него РЗ. Применяются два способа резервирования: дальнее - осуществляемое РЗ и выключателями смежных участков, установленными на со- седних энергообъектах; ближнее - осуществляемое РЗ и выключателями, установленными на той же подстанции (электростанции), на которой расположен отказавший элемент (РЗ или выключатель). Первый способ резервирования предусматривает, что в зону действия РЗ смежного участка должен входить не только свой, но и следующий за ним участок (рис. 21.1). Тогда при отказе РЗ В или выключателя Qg следующего участка РЗ смежного участка А приходит в действие и отключает КЗ своим выклю- чателем Когда ЛЭП оборудуется дифференциальной или ВЧ РЗ, для целей резервирования предусматривается дополнитель- ная, так называемая резервная, РЗ, способная действовать при КЗ на следующем участке. Одновременно эта же резервная РЗ действует при отказе основной РЗ своего участка. В ка- честве резервных РЗ используются МТЗ НП для отключения КЗ на землю и МТЗ или ДЗ для ликвидации междуфазных КЗ. 765
1-и участок за щиты А _ _f-и участок защиты В, резервируемый защитой к Soho действия защиты А Рис. 21.1. Принцип дальнего резервирования отказа в работе выключателей или РЗ с помощью защит последующего участка сети Принципиальным преимуществом дальнего резервирования является его высокая надежность. Резервируемые (В) и резер- вирующие (А) РЗ и выключатели находятся на разных под- станциях, и, следовательно, неисправности и неполадки, воз- никшие на резервируемой подстанции, не могут повлиять на работу резервирующих устройств. Однако в сложных сетях с протяженными сильно загруженными ЛЭП при наличии па- раллельных ветвей и мощных подпиток (например, от источ- ника G2 на рис. 21.1) резервные РЗ (А на рис. 21.1) оказываются недостаточно чувствительными даже в тех случаях, когда они выполняются посредством МТЗ НП и ДЗ. Этот недостаток даль- него резервирования ограничивает его применение и вынужда- ет искать другие пути, обеспечивающие большую чувствитель- ность резервирования. Помимо этого, на линиях с ответвления- ми при дальнем резервировании подстанции, подключенные к этим линиям, теряют питание. Второй способ - ближнее резервирование осуществляется разными средствами при отказе РЗ или выключателя. Уста- новленные на каждом присоединении основные и резервные РЗ взаимно резервируют друг друга. Для повышения эффектив- носи ближнего резервирования РЗ необходимо, чтобы основ- ная и резервная РЗ, установленные на одном присоединении, имели независимые друг от друга измерительные и оператив- ные цепи, а также независимые источники питания. Кроме того, желательно, чтобы основная и резервная РЗ имели раз- ный принцип действия, реагировали на разные электрические величины. Такое выполнение основной и резервной РЗ в наи- большей степени исключает возможность одновременного 766
Рис. 21.3. Действие УРОВ при КЗ между выключателем и ТТ: Ql> Q2 — выключатели, отключившиеся при КЗ в точке К; Q3 - выключатель, отключаемый УРОВ Рис. 21.2. Схема сети для пояснения преимуществ использования УРОВ отказа обеих РЗ из-за одной общей причины. Для обеспечения этих условий применяется подключение основной и резерв- ной РЗ к разным ТТ (или чаще к разным вторичным обмоткам одного ТТ), использование двух TH, двух аккумуляторных ба- тарей и т. п. К системе ближнего резервирования относятся также устройства резервирования в случае отказа вы- ключателей (УРОВ), которые запускаются РЗ отказавшего выключателя и действуют на отключение всех выключателей данной подстанции (электростанции), через которые ток КЗ подходит к месту повреждения - элементу с отказавшим вы- ключателем. Так, например, при КЗ на линии W1 (рис. 21.2) в случае отказа выключателя Q1 УРОВ отключит выключатели Q5, Q6 и Q9, отделяя тем самым место повреждения от непо- врежденной части электросистемы. В результате без напряже- ния останется только одна СШ подстанции А. В том же случае при дальнем резервировании действием резервных РЗ будут отключены выключатели Q2, Q3, вследствие чего полностью нарушится питание подстанции А. Недостатком дальнего резервирования является также его большое время действия, определяемое условиями селектив- 767
ности. В ряде случаев полное время отключения КЗ может достигать нескольких секунд. Таким образом, ближнее резер- вирование обеспечивает более быструю и селективную ликви- нацию повреждений. При этом, как правило, не возникает за- труднений с обеспечением необходимой чувствительности пусковых органов. Кроме резервирования отказа отключения выключателей УРОВ обеспечивает быстрое отключение повреждений на участке между выключателем и его ТТ, когда последние уста- навливаются только с одной стороны выключателя (рис. 21.3). При КЗ на этом участке, например в точке К, поврежденно- го присоединения хотя и подействует на отключение выклю- чателя Q1, но не сможет отделить повреждения от шин под- станции В, РЗ же шин I и II этой подстанции не работает, так как КЗ в точке К находится вне зоны их действия. Рассмотрен- ное повреждение может быть ликвидировано действием УРОВ, которое, будучи запущено, подействует с небольшой выдерж- кой времени на отключение всех выключателей, обтекаемых током КЗ. 21.2. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ УРОВ Из назначения УРОВ следует, что при срабатывании оно должно отключать все присоединения одной секции или си- стемы шин подстанции или элекростанции. Поэтому ложное действие УРОВ может вызвать полное или частичное наруше- ние работы подстанции или электростанции с тяжелыми по- следствиями для энергосистемы. Для исключения ложной работы схемы УРОВ выполняются с двумя независимыми друг от друга пусковыми органами. Одним является РЗ присоединения, а вторым - дополнитель- ное пусковое устройство, контролирующее наличие КЗ в зоне действия УРОВ. Второй пусковой орган не позволяет работать УРОВ при отсутствии КЗ и предупреждает таким образом его ложную работу из-за неисправности РЗ присоединения или оши- бочных действий персонала. Для этой цели к трансформаторам тока рассматриваемой це- пи обычно подключается трехфазное токовое реле КА1 типа РТ-40/Р, контролирующее наличие тока КЗ. Когда один сетевой элемент (ЛЭП, трансформатор) подключен через два выключа- 768
J Рис. 21.4. Принципиальная схема пуска УРОВ с дополнительным контролем по току: а - схема цепей переменного тока; б — схема оперативных цепей Рис. 21.5. Принципиальная схема пуска УРОВ с использованием реле положе- ния ’’Включено” б) теля и более, контролирующие токовые реле устанавливаются в цепи каждого выключателя. Для предотвращения пубка УРОВ при неисправности реле или ошибочных дейсвиях персонала (при работе в цепях РЗ и пр.) разработаны и применяются в эксплуатации две типовые схемы УРОВ, различающиеся способом предотвращения оши- бочного пуска УРОВ: схема с автоматической проверкой исправности выключа- теля (рис. 21.4); схема с дублированием пуска от защиты с использованием реле положения ’’Включено” выключателя KQC (рис. 21.5). 769
Первоначально в качестве реле контроля наличия КЗ ис- пользовались реле напряжения. Подобные схемы в связи с недостаточной чувствительностью органов напряжения, а также наличием других недостатков в проектах не предусматриваются, но еще встречаются в эксплуатации. В схеме на рис. 21.4, а дополнительный контроль наличия тока КЗ в цепи 1 осуществляется с помощью токового реле КА1. В рассматриваемой схеме предусмотрена подача повторной команды контактом KL1.1 реле KL1, срабатывающим при замы- кании контактов KL2.1 выходного промежуточного реле РЗ 1 соответствующего присоединения на отключение контролируе- мого выключателя (Q1 на рис. 21.4, б). Благодаря такому вы- полнению схемы исключается ложное действие УРОВ при слу- чайном замыкании контактов KL2.1. Действительно, если при находящемся в работе выключателе Q1 (замкнут контакт КАТ) будет случайно замкнут контакт KL2.1, сработает промежуточ- ное реле KL1 и контактом KL1.2 подаст ’’плюс” на обмотку ре- ле времени КТ. Одновременно другим контактом реле KL1.1 будет подана команда на отключение выключателя Q1. После отключения выключателя Q1 и исчезновении тока в его цепи разомкнется контакт КА1 и вернется промежуточное реле KL1, чем будет предотвращено ложное срабатывание УРОВ. Использование этой схемы УРОВ целесообразно в тех случа- ях, когда ложное отключение УРОВ одного какого-либо эле- мента не ведет к тяжелым последствиям и может быть восста- новлено АПВ этого присоединения. Вариант схемы с дублированным пуском от РЗ и использова- ние реле положения ’’Включено” выключателя KQC приве- ден на рис. 21.5. В схеме также предусмотрен контроль наличия тока в цепи соответствующего выключателя (реле КАТ). Пуск реле времени КТ в рассматриваемой схеме осуществляется по цепочке из контактов трех реле (рис. 21.5, а): выходного проме- жуточного реле РЗ соответствующего присоединения KL2.1 (см. рис. 21.4), контролирующего токового реле КА1 и размыкаю- щего контакта реле положения ’’Включено” отказавшего вы- ключателя KQC1. Последний замыкается, когда обмотка реле KQC шунтируется при подаче ’’плюса” на катушку отключения выключателя от контактов KL2.2 подействовавшей РЗ (рис. 21.5, б). 770
Рис. 21.6. Схема трехобмоточного токового реле TL К • В качестве дополнительного мероприятия для предотвра- щения ложных срабатываний УРОВ в схемах на рис. 21.4 и 21.5 в цепи пуска схемы УРОВ на РЗ каждого присоединения устанавливаются накладки SX, позволяющие при проверке РЗ или ее неисправности разомкнуть цепь, по которой подает- ся импульс на пуск УРОВ. Для контроля наличия неотключенного КЗ при выполнении пуска УРОВ по схемам, приведенным на рис. 21.4, 21.5, на каж- дом выключателе необходимо контролировать токи в трех фа- зах (или в двух фазах и нейтральном проводе), для чего в типо- вых схемах УРОВ, как отмечалось выше, используются специ- альные трехфазные токовые реле типа РТ-40/Р, содержащие (рис. 21.6) промежуточный трансформатор TL с первичными обмотками wl, w2, w3 и вторичной обмоткой w4. Ко вторичной обмотке через выпрямитель VS подключен исполнительный орган КА, в качестве которого использовано реле типа РТ-40. Для защиты выпрямителей от перенапряжений, имеющих несинусоидальный характер, установлены конденсатор С и резистор R. Первичные обмотки w2 и w3 имеют вдвое меньшее число витков, чем wl. Схема включения первичных обмоток реле показана на рис. 21.7, а. Разное число витков первичных обмоток при указанной на рис. 21.7, а полярности их включения обеспечивает контроль наличия тока в выключателе при лю- бом возможном виде КЗ. При наличии токов в трех фазах (тока симметричной на- грузки или трехфазного КЗ) геометрическая сумма МДС от токов трех фаз определяется результирующим вектором Нр,как это показано на рис. 21.7, б. При прохождении тока двухфазного КЗ фаз В и С фазные токи создают равные по значению МДС, которые складываются с учетом полярности обмоток w2 и w3 (рис. 21.7, в). МДС от токов фаз будут складываться также при двухфазном КЗ фаз А и С. Результирующая МДС в этом случае будет в 1,5 раза больше, чем при двухфазном КЗ фаз В и С (так как wl - 2w3). При двухфазном КЗ фаз А и В МДС первич- ных обмоток wl и w2 будут вычитаться (рис. 21.7, г). В этом слу- чае результирующая МДС определяется разницей в количе- 771
Рис. 21.7. Схема включения (а) и векторные диаграммы (б—г) трехобмоточного токового реле стве витков wl и ю2 (так как токи КЗ в фазах А и В равны и противоположно направлены). Таким образом, в данном слу- чае исполнительный орган реле реагирует на МДС, равную 0,5 той, которая имела бы место при двухфазном КЗ между фаза- ми В и С. При однофазных КЗ наименьшая чувствительность у реле будет при КЗ на фазах В и С. Для повышения надежности ”на несрабатывание” УРОВ, как правило, для каждого выключателя используется по два токовых реле РТ-40/Р.Их контакты соединены последовательно. 213. ВЫБОР УСТАВОК РЕЛЕ УРОВ Для предупреждения действия УРОВ при нормальном от- ключении выключателя необходимо выбрать: ^УРОВ — ^откл.в ^воз РЗ ^ош РВ + ^зап, (21.1) где £откл.в - время отключения выключателя; tBO3P3 - время, необходимое для возврата РЗ пускающей УРОВ; t0UlPB - время ошибки реле времени УРОВ в сторону ускорения действия; t3an - запас по времени. Применяется typoB = 0,3 + 0,5 с. Чтобы предупредить действие РЗ на смежных подстанциях при действии УРОВ, необходимо выбирать выдержки времени 772
на резервных ступенях РЗ этих подстанций с учетом typoe- Это замедляет выдержку времени на резервных РЗ смежных участков на At = typoe- Уставки на реле тока устройств, контролирующих наличие КЗ, выбираются с учетом надежного действия этих реле при КЗ в конце резервируемого присоединения и из условия возврата при токе нагрузки после отключения КЗ. Они обычно принима- ются равными 1 А при токе в обмотке с малым числом витков, или 0,5 А при токе в обмотке с большим числом витков. 21.4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДАЛЬНЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ Как отмечалось выше, дальнее резервирование по сравнению с ближним имеет существенные недостатки. Вместе с тем в современных условиях не представляется возможным отказать- ся от дальнего резервирования. В связи с этим в энергосисте- мах проводится работа по повышению эффективности дальне- го резервирования. На рис. 21.8, а приведена схема размещения РЗ в электриче- ской сети, содержащей ЛЭП W2 с ответвлениями к понижаю- щим подстанциям А и Б. В таких сетях применяется дополни- тельный комплект РЗ 3, действующий при направлении мощно- сти при КЗ к шинам. В случае отказа РЗ или выключателя 1 при КЗ на ЛЭП W1 повреждение будет ликвидировано дейст- вием РЗ у выключателя 3. В этом случае потребители подстан- ций А и Б сохраняют питание. При действии в рассматриваемом Рис. 21.8. Схемы размещения дополнительных комплектов 773
случае РЗ у выключателя 2 при дальнем резервировании эти потребители потеряли бы питание. Следует также отметить, что при установке дополнитель- ной РЗ 3 в ряде случаев улучшаются условия чувствительно- сти. Так, при выборе сопротивления срабатывания этой РЗ по условию отстройки от тока нагрузки из расчетного тока нагрузки для данной РЗ (по сравнению с РЗ 2) должен быть вычтен ток нагрузки подстанций А и Б. С другой стороны, со- противление, измеряемое при КЗ РЗ 3, по сравнению с сопротив- лением, измеряемым РЗ 2, меньше на значение сопротивления ЛЭП W2. В результате этого чувствительность дополнитель- ной РЗ 3 выше, чему РЗ 2. В схеме на рис. 21.8, б в случае отказа выключателя повреж- денной ЛЭП И7!, благодаря действию дополнительной резерв- ной РЗ 3, сохраняется часть транзитной связи (между система- ми G1 и G2). В качестве дополнительных РЗ обычно применяют- ся направленные дистанционные защиты и направленные токовые защиты нулевой последовательности. Вопросы для самопроверки 1. В чем различие между ближним и дальним резервирова- нием? 2. Какие реле применяются для контроля наличия неотклю- чившегося КЗ? 3. Выполнение пусковых органов УРОВ. Глава двадцать вторая МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ (ЦИФРОВЫЕ) РЕЛЕЙНЫЕ ЗАЩИТЫ* 22.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Как было показано выше, с помощью элементов на интеграль- ных микросхемах с малой и средней степенью интеграции могут быть созданы все современные устройства РЗ. Эффективность цифровых устройств, используемых в схемах защиты и автома- * При написании главы были использованы материалы доктора техн, наук Я.С. Гельфанда. 774
тики, может быть повышена, если сделать их программируемы- ми, т. е. способными изменять законы их функционирования при неизменной структуре технических средств. Высшим уров- нем программируемых цифровых элементов являются микро- процессорные системы (МПС), обрабатывающие вводимые в них данные и управляющие внешними устройствами. Уже в конце 1960-х годов на базе средств вычислительной тех- ники (ЭВМ) были разработаны первые варианты программных защит, т. е. РЗ, алгоритм функционирования которых задавался программой, хранимой в запоминающем устройстве ЭВМ. В на- шей стране подобные разработки проводились во ВНИИЭ, МЭИ, Коми филиале АН и Энергосетьпроекте. По мере совершенствования технологии и схемотехники по- явилась возможность создания больших (БИС) или сверхболь- ших (СБИС) интегральных микросхем, которые содержат 100 ты- сяч и более электронных элементов на одном полупроводнико- вом кристалле. Функционирование измерительной и логической частей РЗ может быть представлено в математическом виде системой аналитических соотношений, описывающих процесс принятия решения о срабатывании или несрабатывании тех или иных вхо- дящих в них органов РЗ и являющихся таким образом их алго- ритмом функционирования. Это позволяет рассматривать ор- ганы РЗ как систему арифметико-логического преобразования информации, содержащейся в воздействующих (входных и вспо- могательных) величинах, которая может быть реализована в цифровом виде. При использовании МП алгоритм функциони- рования РЗ задается программой, хранящейся в памяти микро- процессора. Для изменения алгоритма достаточно изменить программу, не меняя элементы РЗ и связи между ними. Выпол- няемые таким образом РЗ называются программными, или микропроцессорными. 22.2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РЗ НА МИКРОПРОЦЕССОРАХ Упрощенная функциональная блочная схема РЗ, построен- ная на МПС, приведена на рис. 22.1. Входным элементом, как и у всех полупроводниковых РЗ, являются промежуточные транс- форматоры напряжения и тока, ПТН и ПТТ, назначение и функции которых рассмотрены в гл. 2. 775
Рис. 22.1. Структурная схема микропроцессорной зашиты: ПТТ, ПТН — промежуточные трансформаторы тока и напряжения; АЦП ~ ана- логово-цифровые преобразователи; Чф — частотный фильтр; МПС — микропро- цессорная система; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; СУ — сигналь- ное устройство; РАС -регистрация аварийных событий; ПЭВМ — персональная ЭВМ; I — на отключение выключателей; II — к оперативному персоналу; III — к релейному персоналу Выходной сигнал с промежуточных трансформаторов поступа- ет на частотные фильтры ЧФ, которые пропускают составляю- щие тока и напряжения 50 Гн и не пропускают высокочастот- ные гармоники, являющиеся помехами, искажающими сину- соиду тока и напряжения. Аналоговые сигналы, полученные от измерительных транс- форматоров в виде синусоидальных токов и напряжений, после преобразования в промежуточных трансформаторах ПТН и ПТТ и частотных фильтрах ЧФ необходимо превратить в дискрет- ные, поскольку их обработка производится в МПС, построенных на цифровых микросхемах. Поэтому аналоговый выходной сиг- нал частотных фильтров ЧФ подается в устройство АЦП, пред- усмотренное для изменения формы сигнала на дискретную (цифровую). В АЦП измерение значения синусоидального тока (напряжения) происходит в определенные моменты времени tlf t2 ... tn с интервалом времени Т (рис. 22.2, а). В эти моменты вре- мени фиксируются соответствующие им мгновенные значения, которые используются как дискретные значения синусоидаль- ного тока. Полученные таким образом дискретные сигналы через интервалы времени Т передаются последовательно в мо- менты времени t1512... tn на ввод МПС в виде двоичного цифро- вого кода (1, когда есть импульс тока и 0, когда сигнал отсутст- вует). Эта операция часто называется выборкой. Очень важно, 776
Рис, 22.2. Характеристика входной величины (тока или напряжения): а -• дискретизация по времени; б — дискретизация по параметру чтобы значения измеряемых дискретных значений тока и на- пряжения точно соответствовали действительным значениям синусоидам этих величин. Кроме дискретизации по времени предусмотрена дискретизация по значению входной величины (тока или напряжения), как показано на рис. 22.2,6. Момент вы- борки сигналов определяется мультивибратором, непрерывно с интервалом Т генерирующим тактовые импульсы. Для получения с помощью дискретных сигналов, возможно большей точности представления действительной синусоиды интервал Т нужно выбирать, возможно, меньше. Однако сле- дует иметь в виду, что при последовательной передаче сигна- лов это замедляет процесс обработки и ухудшает быстродейст- вие РЗ. Сигнал с выхода АЦП поступает в устройство обработки ин- формации, каким является МПС. Основным элементом цифро- вой РЗ является МП, схема которого позволяет использовать его в качестве вычислительного устройства, производящего арифметические и логические операции, необходимые для выполнения им функций РЗ, представленных в виде алгорит- мов действия ее измерительных и логических органов. Микропроцессор (рис. 22.3) состоит из трех основных частей-. арифметико-логического устройства АЛУ, реализующего арифметические операции (сложение, вычитание и др.), логи- ческие операции (И, ИЛИ, НЕ): сверхоперативного запоминающего устройства СОЗУ, состо- ящего из набора регистров, обеспечивающих промежуточное хранение данных до завершения операций, проводимых в МП; 777
Рис. 22.3. Упрощенная структурная схе- ма микропроцессора устройства управления УУ, осуществляющего управление ра- ботой МП (АЛУ и СОЗУ) по заданной программе. Элементы МП связаны между собой информационными ши- нами, представляющими из себя группу линий передачи ин- формации, объединенных общим функциональным признаком (шины данных, адресов и управления). Для выполнения функ- ций какой-либо РЗ, МП дополняется внешними устройствами памяти, образуя микропроцессорную систему (МПС). Структура МПС приведена на рис. 22.4. С выхода МПС (см. рис. 22.1) цифровой сигнал поступает на цифроаналоговый преобразователь ПАП, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый, поступающий на выходное про- межуточное реле, действующее на отключение выключателя. Одновременно приводится в действие устройство сигнализации СУ, фиксирующее срабатывание РЗ, и передается соответствую- Рис. 22.4. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы, выпол- няющей функции релейной зашиты 778
щая аварийная информация для записи в регистраторе ава- рийных событий (РАС). Одновременно поступает информация на персональную ЭВМ (ПЭВМ), посредством которой осуществляется связь человек- машина. 22.3. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА На рис. 22.4 приведена упрощенная структурная схема МП-си- стемы, выполняющей функции РЗ. Система состоит из двух час- тей: МП и внешних устройств. К внешним устройствам МПС относятся: устройства памяти - оперативное запоминающее устройство ОЗУ и постоянное запоминающее устройство ПЗУ; устройства ввода и вывода аналоговой УАВВ и дискретной УДВВ информации; средства общения человека с МПС - минидисплей и клавиа- тура для ручного ввода управляющих команд. Все внешние устройства связаны друг с другом и с МП общи- ми шинами: данных, адресов и управления. Соединение внеш- ней части указанных шин с шинами МП осуществлена через специальные буферные устройства. Как уже отмечалось, главным элементом МПС является сам микропроцессор (или микропроцессоры), но поскольку его струк- тура была кратко пояснена выше, то здесь рассматриваются только виды регистров и их назначение. Важной частью МПС являются запоминающие устройства: ПЗУ и ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ слу- жит для хранения управляющей программы, в которой записа- ны последовательные команды, согласно которым должно дей- ствовать устройство управления микропроцессора - УУ, и вто- рой основной программы, определяющей функционирование устройства РЗ. Эти программы остаются неизменными, пока ос- таются неизменными функции данной РЗ. В связи с этим запи- санная в ПЗУ информация должна сохраняться даже при ис- чезновении электропитания. Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ необходимо для хранения данных, поступающих для обработки в МП, и ре- зультатов этой обработки и выборки из основной программы, хранящейся в ПЗУ. 779
Помимо этих устройств имеется сверхоперативная память - запоминающие устройства в МП в виде регистров общего назна- чения (РОН): они подразделяются на регистры команд и регист- ры накопителей (аккумуляторов). Регистр команд хранит ту команду, которую МП должен выполнить вслед за текущей. Ак- кумулятор хранит данные непосредственно перед входом в МП и на выходе. Регистры ускоряют поступление данных для об- работки, т. е. уменьшают общее время действия МП-системы. Как уже отмечалось выше, ЭВМ осуществляют с введенными в них данными операции сложения и вычитания. Вместе с тем в современных МП универсального назначения операции ум- ножения и деления выполнены аппаратно, т. е. в набор команд самого процессора входят и команды mul (умножения) и div (деления), благодаря чему отпадает необходимость в выполне- нии дополнительных операций и повышается надежность фун- кционирования МП. Для преобразования аналоговых значений токов и напряже- ний в цифровую форму и обратно в МПС предусмотрено устрой- ство аналогового ввода-вывода информации (УАВВ), принцип действия которого рассмотрен выше. Типовое УАВВ обеспечи- вает ввод в МПС до 16 аналоговых сигналов и вывод одного- двух сигналов в аналоговой форме. Для этого УАВВ содержит один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), а также коммута- тор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигна- лов и вывод одного-двух сигналов в аналоговой форме. Для этого типовое устройство УАВВ содержит один аналого-цифро- вой преобразователь (АЦП) и один-два цифро-аналоговых преоб- разователя (ЦАП), а также коммутатор для ввода с помощью одного АЦП до 16 аналоговых сигналов токов и напряжений. Для обеспечения одновременности всех выборок на всех входах коммутатора могут быть предусмотрены устройства вы- борки-хранения данных, которые по команде устройства управ- ления УАВВ обеспечивают одновременное считывание мгно- венных параметров, поступающих от всех каналов ввода ана- логовых данных. Микропроцессорная система должна также содержать устрой- ство дискретного ввода-вывода УДВВ для выдачи команды на отключение выключателя и приема сигналов от других уст- ройств РЗ. 780
Для ввода уставок РЗ и осуществления контроля за ними в МП-системе предусмотрена упрощенная клавиатура, содержа- щая небольшое число цифровых и буквенных клавиш, а также минидисплей, рассчитанный на несколько строк, и порядка 20 знакомест в строке. С помощью дисплея осуществляется визуальный контроль при вводе уставок РЗ, а также оценива- ются входные и выходные данные в процессе функционирова- ния системы. Перечисленные внешние устройства имеют связи со всеми шинами МП-системы, которая содержит часто средства для связи с персональной ЭВМ и с принтером для вывода на печать протокола работы РЗ или результатов ее периодической провер- ки (на схеме не показаны). На рис. 22.4 не показано также перепрограммируемое запоми- нающее устройство (ППЗУ), которое используется для возмож- ности оперативной модификации программ. Кроме того, для оперативного изменения уставок РЗ МП-система оснащена энергонезависимым ОЗУ. Группа элементов памяти каждого вида памяти составляет ячейку или слово памяти, содержащее число элементов, крат- ное 8 (8, 16, 32 и т. д.). Слово из восьми двоичных разрядов назы- вается байтом. В зависимости от размера ячейки памяти, МПС называют 8, 16 или 32-битными или 1-4 байтными. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Совокупность нулей и единиц, находящихся в элементах памяти, представля- ет собой содержимое ячейки памяти. Синхронизация работы всех устройств, входящих в МПС, ре- гулируется генератором тактовых импульсов (ГТИ), который формирует импульсы, обеспечивающие необходимую последо- вательность процессов. Генератор тактовых импульсов непре- рывно вырабатывает прямоугольные импульсы, подаваемые через Ф1 и Ф2 с определенным периодом (см. рис. 22.4). 22.4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ Для микропроцессорной (цифровой) РЗ первостепенное зна- чение имеет программа ее функционирования. Эта программа разрабатывается на основе алгоритмов действия данного вида РЗ и ее отдельных частей. Алгоритмы ИО микропроцессорных устройств РЗ существенно отличаются от алгоритмов аналоговых устройств РЗ на электро- 781
механической и полупроводниковой элементной базах. Если в аналоговых устройствах алгоритмы ИО основаны на том, что фиксируется факт нахождения измеряемой величины в зоне срабатывания РЗ, независимо от значения этой величины (на- пример, ток больше тока срабатывания, напряжение меньше напряжения срабатывания и т. д.), то в микропроцессорном уст- ройстве сначала вычисляется значение измеряемой величины, а затем уже происходит его сравнение с уставкой или характе- ристикой срабатывания устройства, имеющейся в памяти МП-системы. После подачи питания на МП-систему в регистр адреса МП загружается первая команда, по которой управление переда- ется управляющей команде. Последняя сначала тестирует МП, память, внешние устройства, затем переписывает основную программу в ОЗУ и передает ей управление. После этого начи- нается непрерывное выполнение функций РЗ или работа основ- ной программы в режиме реального времени (РВ). Основная программа в режиме РВ производит непрерывно следующие действия: вводит в оперативную память МП-системы мгновенные зна- чения входных токов и напряжений, преобразованные в цифро- вую форму с помощью АЦП; производит арифметические и логические операции над введенными в ОЗУ числами в соответствии с принятыми алго- ритмами РЗ; осуществляет сравнение преобразованных чисел с уставкой пускового органа (ПО), если он предусмотрен; если сравнение показывает, что ПО сработал, программа переходит к выполне- нию алгоритма измерительного органа (ИО), иначе говоря, все действия программы начинаются сначала и она производит необходимые арифметические и логические операции в соот- ветствии с алгоритмом; в программе ИО также производятся необходимые арифмети- ческие и логические операции в соответствии с его алгоритмом; осуществляется сравнение преобразованных чисел с устав- кой ИО; если сравнение показывает, что ИО сработал, программа за- пускает орган выдержки времени (ОВВ), если он предусмотрен, или выдает с помощью устройства УДВВ сигнал срабатывания РЗ; иначе все действия программы начинаются сначала; после запуска ОВВ проверяется не вернулся ли ПО. Если ПО 782
вернулся, накопленная выдержка времени сбрасывается, и все действия программы начинаются сначала; осуществляется сравнение выдержки времени с уставкой, и, если ПО и ИО не вернулись, а истекшее время превышает или равно уставке, программа формирует сигнал срабатывания РЗ, как указано выше. Перечисленные действия выполняются циклически непре- рывно до тех пор, пока не возникает необходимость либо отклю- чить РЗ (или перевести на сигнал), либо изменить ее уставки. В этом случае нажатием комбинации клавиш на клавиатуре МП-система переводится в один из этих режимов. Если, напри- мер, требуется изменение уставок, то нажатие определенной комбинации клавиш с помощью управляющей программы вы- зывает программу ввода (модификации) уставок, которая с помощью дисплея контролирует правильность вводимых уста- вок, а затем и правильность введенных данных. Если происходит сбой системы по любой причине (кратковре- менное исчезновение напряжения питания, ’’зацикливание” программы и т. п.), то производится рестарт (перезапуск) си- стемы, т. е. автоматический перевод МП на выполнение про- граммы с нулевого адреса, т. е. выполнение всех начальных опе- раций, которые были описаны выше (тестирование всех уст- ройств МП-системы, перезапись основной программы в ОЗУ и т. д.). В отличие от схем РЗ на электромеханической или микро- электронной элементной базе в МП-системах информация о токах и напряжениях защищаемого присоединения должна вводиться в виде последовательности чисел (выборок), соот- ветствующих мгновенным значениям токов и напряжений в моменты выборок. 22.5. ТЕРМИНАЛ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЛЭП 330 кВ И ВЫШЕ Структурная схема терминала. В качестве примера рассмот- рим приведенную на рис. 22.5 структурную схему терминала дистанционной РЗ фирмы АВВ, типа REL 521 от всех видов по- вреждений как междуфазных, так и однофазных КЗ для ЛЭП 330 кВ и выше с одним выключателем на цепь. Терминалом за- рубежные фирмы называют комплексные устройства, обеспе- чивающие не только функции РЗ, но также и осуществляющие 783
Рис. 22.5, Структура микропроцессорного терминала REL 521 другие функции, тесно связанные с РЗ (самоконтроль с диаг- ностикой повреждения, определение расстояния до места по- вреждения, регистрацию аварийных событий и параметров переходных процессов, АПВ и др.). На рис. 22.5 представлены следующие элементы терминала: трансформаторный блок ТБ с пятью промежуточными вход- ными TH и пятью ТТ; частотный фильтр Ф; аналого-цифровой преобразовательный блок АЦП на 10 ана- логовых сигналов, выделяющий дискретные значения с часто- той 2000 Гц; центральный процессорный блок ЦПБ на многопроцессор- ной базе, который выполняет все измерительные функции тер- минала; микроконтроллер на 32 бита МК в составе ЦПБ; цифровые сигнальные процессоры СП в составе ЦПБ; входные светодиоды СД, обеспечивающие гальваническую развязку на входе для устранения влияния помех; выходные реле; средства связи, обеспечивающие взаимодействие персонала с терминалом, ПЭВМ и автоматизированной системой управ- ления подстанцией. 784
Трансформаторный блок ТБ выполняет те же функции, что и входные преобразователи тока и напряжения в аналоговых РЗ. В трансформаторном блоке обрабатываются десять входных величин: три фазных тска защищаемой ЛЭП; ток нулевой последовательности 310 защищаемой ЛЭП; ток нулевой последовательности параллельной ЛЭП, если она имеется (только для вводимой по заказу функции опреде- ления места повреждения); три фазных напряжения защищаемой ЛЭП; напряжение открытого треугольника защищаемой ЛЭП (для функции контроля синхронизма или проверки отключенного состояния ЛЭП, если эта функция используется). Частотный фильтр Ф должен пропускать основные составля- ющие тока и напряжения 50 Гц и ограничивать прохождение других гармоник, являющихся помехами, искажающими сину- соиды основных величин. Блок аналого-цифрового преобразования преобразует анало- говые сигналы, поступающие на его вход, в цифровые, которые передаются в ЦПК. Перед поступлением аналоговых сигналов через мультиплексор в АНП они обрабатываются аналоговыми низкочастотными (НЧ) фильтрами. Отдельный процессор сиг- нала в блоке АЦП выполняет цифровую НЧ фильтрацию сиг- налов. В результате общая ширина полосы пропускания сигна- лов пригодна для РЗ. Затем информация преобразуется из па- раллельного в последовательный код и передается в измери- тельный блок (ЦПК). Последовательные сигналы используют- ся также для вводимой по выбору функции записи аварийных режимов. Измерительный блок (ЦПК). С целью разделения функций РЗ между несколькими процессорами и повышения тем самым ее надежности в ЦПК наряду с одним микроконтроллером на 32 бита имеется 10 процессоров цифровых сигналов (СП1-СП10). Количество работающих СП зависит от числа основных и вспо- могательных функций, задействованных в терминале. Информация, поступающая из АЦП в последовательном ко- де, декодируется и снова преобразуется для трансляции ее ме- тодом параллельной передачи в ЦПБ. При этом выполняется также цифровая фильтрация соответствующих сигналов тока и напряжения в установленной полосе пропускания частот (50 Гц). 785
Микроконтроллер МК, имеющий длину слова 32 бит, управ- ляет потоками данных, распределяя их между СП, блоками ввода/вывода информации, выполняет некоторые логические функции. Микроконтроллер управляет также портами (интер- фейсами): человекомашинного обмена информацией; общения персонала с ПЭВМ; связи с интегрированной системой управления подстанцией. После АЦП информационные сигналы поступают на парал- лельно включенные СП. Цифровые сигнальные процессоры. Три процессора СП1-СПЗ выполняют основную функцию измерения полного сопротивле- ния с учетом всех возможных петель (контуров) повреждений (междуфазные КЗ и КЗ на землю). Полученные в результате расчетные значения сопротивлений каждую миллисекунду сравниваются с уставками реактивной и активной составляю- щих сопротивления для каждого вида повреждения и для каж- дой зоны РЗ. Эти функции распределены между процессорами следующим образом: СП1 - расчет полных сопротивлений для всех КЗ на землю; СП2 - расчет полных сопротивлений для всех междуфаз- ных КЗ; СПЗ - оценка направления КЗ для всех видов повреждения. Процессор СП4 осуществляет функции пускового органа для всех зон РЗ. При определении реактивных составляющих в случае КЗ на землю в программе используется коэффициент компенсации взаимоиндукции нулевой последовательности Ко, значение которого для разных зон принимается различным. Активная составляющая сопротивления срабатывания реле сопротивления регулируется отдельно для РЗ от междуфазных КЗ и для КЗ на землю, а также для разных зон. В алгоритме реле сопротивления первой зоны предусматри- вается ’’память” по напряжению прямой последовательности, продолжительностью 100 мс. Блок интерфейса, БИ (взаимодействия) человека с термина- лом. В терминале используется типовой блок интерфейса фир- мы АВВ, установленный на передней части панели. С помощью этого интерфейса имеется возможность: выполнения уставок - четыре группы параметров уставок за- даются и считываются только программными средствами; 786
получение на экране хранящихся в памяти терминала основ- ных данных о трех последних аварийных нарушениях в защи- щаемой сети, включая время возникновения аварийных нару- шений, их продолжительность, изменение значений отдельных параметров режима в процессе возникновения и развития ава- рийных нарушений, факты срабатывания конкретных устройств РЗ и автоматики, расстояние до места КЗ и т. д.; просмотра параметров поврежденного узла терминала, выяв- ленного системой самодиагностики; упрощенной проверки различных цепей и функций термина- ла в процессе эксплуатации и при проверках. Использование ПЭВМ существенно расширяет возможности изучения информации о трех последних аварийных наруше- ниях, содержащей до 150 событий для каждого случая с указа- нием времени его возникновения, а также записи изменения контролируемых параметров в переходных режимах. На рисунке не показан блок питания, который включает в себя регулируемый преобразователь постоянного тока аккуму- ляторной батареи в постоянный, который обеспечивает необхо- димый уровень стабилизированного оперативного напряжения для всех цепей терминала. В этом же блоке установлены четы- ре дискретные входные цепи и пять выходных реле. Все они независимо программируются для обеспечения любых функ- циф терминала и соответствующих логических сигналов. Основные функции терминала. Основной функцией терми- нала является осуществление дистанционной РЗ ЛЭП с инди- видуальными измерительными элементами для разных видов и зон КЗ. Как показано на рис. 22.6, РЗ имеет три (по числу зон) четырехугольных характеристики (Zl, Z2, Z4). Подобные харак- Рис. 22,6. Характеристики дистанцион- ной зашиты
теристики, как известно, обеспечивая хорошую отстройку РЗ от токов нагрузки, позволяют отключать КЗ с хорошей чувст- вительностью (см. гл. 11). Как дополнение к первой зоне дистанционной РЗ в термина- ле предусмотрена токовая отсечка от междуфазных КЗ. Нормально предусмотрено при любом виде повреждения от- ключение выключателей всех трех фаз защищаемой ЛЭП. Терминал REL 521 имеет встроенную операционно-программ- ную логику, которая позволяет осуществлять любую схему взаимодействия двух комплектов РЗ, расположенных по обоим концам защищаемой ЛЭП, имея в виду разрешение и запреще- ние действия разных зон РЗ. Предусмотрено ускорение действия РЗ при включении на закоротку. Предусмотрена возможность задания четырех групп уставок, выбора среди них рабочей и изменения каждой уставки. Предусмотрена регистрация трех аварийных ситуаций (до 150 событий с фиксацией времени их возникновения). Имеется возможность привязки массивов аварийной информации к си- стеме точного времени. Дополнительные функции. Ряд дополнительных функций может быть введен в систему с помощью дополнительных СП: две зоны дистанционной РЗ (Z3 и Z5 на рис. 22.6), направлен- ные к шинам рассматриваемой ПС; однофазное АПВ (ОАПВ) с дистанционными избирателями поврежденной фазы и соответствующей логикой выходных це- пей, предусматривающей пофазное отключение выключателей при действии РЗ; блокировка при качаниях с двумя реле сопротивления, имею- щими концентрически расположенные характеристики, реаги- рующая на разную скорость изменения сопротивления при КЗ и качаниях; блокировка от неисправности цепей напряжения, реагирую- щая на сочетание органов тока и напряжения нулевой или об- ратной последовательностей с действием на сигнал или на бло- кировку РЗ; дополнительная токовая РЗ нулевой последовательности (направленная или ненаправленная) с четырьмя зависимыми и одной независимой от тока характеристиками. Предусмотрена возможность использования одного из двух элементов направ- ления мощности (в прямом и обратном направлениях). Направ- 788
ленная токовая РЗ от КЗ на землю на обоих концах ЛЭП так же, как дистанционная РЗ. может быть дополнена цепями, обес- печивающими их взаимодействие в процессе отключения КЗ; устройство определения места повреждения, реализуемое с помощью дополнительного СП; аварийный осциллограф, обеспечивающий фиксацию до 10 аналоговых и 48 цифровых сигналов при минимальном вре- мени записи 10 с. Результаты осциллографирования могут быть выведены на ПЭВМ, установленную на подстанции или электро- станции, и переданы на диспетчерский центр. Предусмотрена возможность выбора и настройки пусковых органов осцилло- графа; автоматическое повторное включение (АПВ) - однофазное, трехфазное или комбинированное, однократное или двухкрат- ное. Предусмотрены элементы контроля синхронизма и отсут- ствия напряжения на ЛЭП, а также возможность ускорения РЗ после неуспешного АПВ; устройство резервирования при отказе выключателей (УРОВ) с контролем тока в ЛЭП с двумя выдержками времени, дейст- вующими на отключение отказавшего выключателя (повторно), а затем на отключение всех соседних выключателей; контроль перегрузки защищаемой ЛЭП, или соседних ЛЭП; контроль симметрии токов в фазах (обнаружение обрыва про- вода), контроль наличия напряжения; РЗ короткого участка (например, участка распредустройства в схеме с 1,5 выключателями на цепь, когда TH установлен со стороны ЛЭП); все внутренние логические сигналы терминала могут управ- лять одним или более выходными реле; предусмотрена возможность выхода на базу данных термина- ла через ПЭВМ, а также посредством каналов связи с удален- ным диспетчерским пунктом. Рассмотренный терминал REL521 предназначен для исполь- зования на ЛЭП 330 кВ и выше. Для ПО и 220 кВ фирма выпус- кает терминалы REL 501 и 511, имеющие аналогичное струк- турное построение с исключением некоторых функций. В част- ности для РЗ ЛЭП 110 и 220 кВ не нужны частотные фильтры. Для выпуска микропроцессорных РЗ в России создано со- вместное предприятие ’’Чебоксары-АВВ”. Достоинства микропроцессорных РЗ. Микропроцессорные РЗ имеют следующие преимущества по сравнению с традицион- 789
ними РЗ, выполненными на электромеханических и полупро- водниковых реле: надежность, быстродействие, непрерывные автоматические контроль исправности и диагностика; возможность осциллографирования и запоминания парамет- ров аварийных процессов; возможность реализации более сложных и совершенных ал- горитмов управления, удобство настройки, наладки и эксплуа- тации; интеграция (объединение) систем оперативного и автомати- ческого управления, позволяющая создать терминал, в преде- лах одного защищаемого объекта; большая помехозащищенность, чем РЗ на аналоговых элемен- тах. Однако и здесь необходимо применять рекомендованные средства защиты от внешних электромагнитных и электроста- тических помех. В данной главе кратко изложены общие принципы постро- ения МП релейных защит. Более подробно см. [62, 63]. Вопросы для самопроверки 1. В чем принципиальное отличие микропроцессорных РЗ по сравнению с традиционными РЗ на электромеханических и ста- тических реле? 2. Какие виды оперативной памяти используются в составе релейного микропроцессорного комплекса? Каково назначение разных видов памяти? 3. Какая необходимость в применении АЦП в МП РЗ? 4. Как реализуются в терминалах РЗ функции анализа ава- рийной информации? 5. Что такое микропроцессорный терминал РЗ? 6. В чем состоит интеграция функций оперативного и автома- тического управления ПС на базе терминала РЗ?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. 2. Руководящие указания по релейной защите: Поперечная дифференциаль- ная защита линий 35-220 кВ. М.: Энергия, 1970. 3. Руководящие указания по релейной защите: Дистанционная защита ли- ний 35-330 кВ. М.: Энергия, 1966. 4. Руководящие указания по релейной защите: Дистанционная защита ли- ний 35-330 кВ (дополнение). М.: Энергия, 1968. 5. Руководящие указания по релейной защите: Дифференциально-фазная высокочастотная защита линий 110—330 кВ. М.: Энергия, 1972. 6. Руководящие указания по релейной защите: Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. М.: Энергия, 1980. 7. Руководящие указания по релейной защите: Устройство резервирования при отказе выключателей 35-500 кВ. М.: Энергия, 1966. 8. Руководящие указания по релейной защите: Высокочастотная блокиров- ка дистанционной и токовой направленной нулевой последовательности за- щит линий 110—220 кВ. М.: Энергия, 1975. 9. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 10. Чернобровое Н. В. Релейная защита: Учебник для техникумов. 5-е изд. М.: Энергия, 1974. 11. Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техники релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1984. 12. Гельфанд Я. С. Релейная защита распределительных сетей. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1987. 13. Шабад М. А. Защита трансформаторов распределительных сетей. Л.: Энергоиздат, 1981. 14. Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределитель- ных сетей. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 15. Реле защиты/ В. С. Алексеев, Г. П. Варганов, Б. И. Панфилов, Р. 3. Розен- блюм. М.: Энергия, 1976. 16. Фабрикант В. Л. Основы теории построения измерительных органов ре- лейной защиты и автоматики. М.: Высшая школа, 1968. 17. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.—Л.: Энергия, 1964. 18. Линт Г. Э. Симметричные составляющие в релейной защите. М.: Энерго- атомиздат, 1996. 791
19, Корогодский В. И., Кужеков С. Л., Паперно Л.Б. Релейная зашита электро- двигателей напряжением выше 1 кВ. М.. Энергоатомиздат, 1987. 20. Фабрикант В. Л. Дистанционная защита. М.: Высшая школа, 1978. 21. Шнеерсон Э. М. Дистанционная защита. Мд Энергоатомиздат, 1986. 22. Какуевицкий Л. И., Смирнова Т. И. Справочник реле защиты и автома- тики. 3-е изд. М.: Энергия, 1972. 23. Вавин В. Н. Трансформаторы тока. М.: Энергия, 1966. 24. Вавин В. Н. Трансформаторы напряжения и их вторичные цепи. 2-е изд. М.: Энергия, 1977. 25. Казанский В. Е. Трансформаторы тока в схемах релейной зашиты. 2-е изд. М.: Энергия, 1969. 26. Кудрявцев А. А., Кузнецов А. П., Григорьев М. Н. Максимальная токовая защита с магнитными трансформаторами тока. М.: Энергоиздат, 1981. 27. Королев Е. П., Либерзон Э. М. Расчеты допустимых нагрузок в цепях ре- лейной защиты. М,: Энергия, 1980. 28. Методические указания по наладке и эксплуатации дифференциально- фазных защит ДФЗ-401 и ДФЗ-201. М.; Союзтехэнерго, 1982. 29. Б&йтер И. И. Релейная защита и автоматика питающих элементов соб- ственных нужд тепловых электростанций. 2-е изд. М.: Энергия, 1975. 30. Методические указания по наладке и проверке дифференциальной за- щиты ДЗТ-21, ДЗТ-23. М.-. Союзтехэнерго, 1981. 31. Методика наладки защиты ротора генератора от перегрузки P3P-IM. М.: Союзтехэнерго, 1980. 32. Б&йтер И. И. Защита и АВР электродвигателей собственных нужд. М.: Энергия, 1972. 33. Коваленский И. В. Релейная защита электродвигателей напряжением 1000 В. 2-е изд. М.: Энергия, 1977. 34. Лысенко Е. В. Функциональные элементы релейных устройств на ин- тегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1983. 35. Аналоговые и цифровые интегральные схемы/ Под ред. С. В. Якубовско- го. М.: Радио и связь, 1984. 36. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980. 37. Паперно Л. Б. Бесконтактные токовые защиты электроустановок. М_: Энергоатомиздат, 1983. 38. Зильберман В. А. Релейная защита сети собственных нужд атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1992. 39. Влияние способа заземления нейтрали собственных нужд блока 500 МВт на перенапряжения н работу релейной защиты / В. А. Зильберман, И. М. Эпш- тейн, Л. С. Петрищев, Г. Г. Рождественский// Электричестве, 1987. № 7. 40. Линт Г. Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микро- схемах. М.: Энергоатомиздат, 1990. 41. Казанский В. Е. Измерительные преобразователи релейной защиты. М.: Энергоатомиздат, 1988. 42. Дорогунцев В. Г., Овчаренко Н. И. Элементы автоматических устройств энергосистем. 2-е изд., перераб. и доп. М.; Энергия, 1979. 792
43. Фабрикант В. Л., Паперно Л. Б. Элементы устройств релейной защиты и автоматики энергосистем. М.: Высшая школа, 1984. 44. Темкина Р. В. Измерительные органы релейной защиты на интеграль- ных микросхемах. М.: Энергоиэдат, 1981. 45. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982. 46. Каган Б. М., Сташин В. В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987. 47. Интегральные схемы: Справочник/ Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю. Н. Смирнов и др.// Под ред. Б. В. Тарабрина. М.: Радио и связь, 1984. 48. Методические указания по техническому обслуживанию дифференци- альной зашиты шин ПДЭ-2006 (ДЗШТ-750, ДЗШТ-751)/ М.: Союзтехэнерго, 1984. 49. Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. Мл Радио и связь, 1982. 50. Микропроцессоры/ П. В. Нестеров, В. Ф. Шаньгин, В. Л. Горбунов и др.// Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: Высшая школа, 1986, т. 1. Архитектура и проекти- рование микроЭВМ. Организация вычислительных процессов. 51. Микропроцессоры и микропроцессорные комплексы интегральных мик- росхем: Справочник. В 2-х т./ Н. Н. Аверьянов, А. И. Березенко, Ю. И. Борщеико и др.// Под ред. В. А. Шахнова. М.: Радио и связь, 1988. Т. 2. 52. Борисов Л. Ф., Кашицин Ю. Н. Быстродействующий измерительный пре- образователь мощности для релейной защиты и автоматики энергосистем//Но- вые устройства защиты и автоматики низковольтных сетей. Чебоксары: ВНИИР, 1988. 53. Таджиб&ев А. И. Элементы релейной защиты и автоматики энергосистем. Л.: изд. ЛПИ, 1982. 54. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты/В. В. Михайлов, Е. В. Кириевский, Е. М. Ульяницкий и др.// Под ред. В. П. Морозкина. М.: Энер- гоатомиздат, 1988. 55. Электротехнические микропроцессорные устройства и системы: Межвуз. сб. науч, тр./ Чебоксары: изд-во Чуваш, ун-та, 1992. 56. Высокочастотная направленная и дифференциально-фазная защита ПДЭ-2003 для ВЛ 500-750 кВ (релейная часть)/А.И. Левиуш, И. А.Дони, Л.А.На- дель, А. М. Наумов. М.: Научно-учебный центр ЭНАС. 1996. 57. Вавин В. Н. Релейная защита блоков турбогенератор — трансформатор. М.: Энергоиэдат, 1982. 58. Инструкция по проверке, наладке и эксплуатации дифференциальной защиты шин с торможением типа ДЗШТ/Г. Т. Грек, С. Я. Петров. М.: Оргрэс, 1977. 59. Удрис А. П. Релейная защита воздушных линий 110—220 кВ типа ЭПЗ-1636. М.: Энергоатомиздат, 1988. 60. Устройство дистанционной и токовой защит типов ШДЭ-2801 и ШДЭ-2802/ А. Н. Бирг, Г. С. Нудельман, Э. К. Федоров и др. М.: Энергоатомиздат, 1988. 61. Релейная защита и автоматика ВЛ сверхвысоких напряжений и мошных генераторов: Сб. научн. трудов ВНИИЭ/ М.: Энергоатомиздат. 1988. С. 63—71. 62. Горбачев Г.Н., Чаплыгин ЕЛ. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцова -М.: Энергоатомиздат, 1988. 63. Федотов В.И. Основы электроники: Учебное пособие для учащихся не- электротехнических специальностей техникумов. — М.: Высшая школа, 1990.
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие........................................................ 3 Глава первая. Общие понятия о релейной защите...................... 5 1.1. Назначение релейной защиты................................ 5 1.2. Повреждения в электроустановках........................... 7 1.3. Векторные диаграммы токов и напряжений при КЗ............ 10 1.4. Ненормальные режимы...................................... 18 1.5. Основные требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты ..................................................... 21 1.6. Структурные части и основные элементы РЗ................. 25 1.7. Виды устройств РЗ........................................ 29 1.8. Изображение схем РЗ на чертежах.......................... 30 1.9. Источники и схемы оперативного тока...................... 31 Глава вторая. Принципы построения измерительных и логических органов релейной защиты................................................... 36 2.1. Общие принципы конструктивного исполнения реле........... 36 2.2. Электромеханические реле................................. 38 2.3. Конструкции реле, выполняемых на электромагнитном принципе 47 2.4. Промежуточные реле (логические элементы)................. 49 2.5. Указательные реле........................................ 55 2.6. Реле времени............................................. 56 2.7. Поляризованные реле ..................................... 58 2.8. Индукционные реле........................................ 60 2.9. Реле тока на индукционном принципе....................... 62 2.10. Индукционные реле тока серий РТ-80 и РТ-90............... 65 2.11. Индукционные реле направления мощности................... 68 2.12. Магнитоэлектрические реле................................ 73 2.13. Измерительные органы на полупроводниковой элементной базе 75 2.14. Типовые функциональные элементы полупроводниковых ИО .... 78 2.15. Аналоговые микросхемы, используемые для построения функ- циональных элементов ИО...................................... 85 2.16. Основные схемы включения операционных усилителей, исполь- зуемые в устройствах РЗ...................................... 89 2.17. Простейшие функциональные элементы, выполняемые на ОУ ... 94 2.18. Схемы сравнения двух электрических величин.............. 108 2.19. Измерительные органы тока и напряжения на ИМС........... 111 2.20. Измерительные органы (реле) с двумя входными величинами на интегральных микросхемах.................................... 120 2.21. Элементы логической и исполнительной частей устройств РЗ . . . . 130 2.22. Органы логики на ИМС.................................... 138 794
Глава третья. Трансформаторы тока и схемы их соединения......... 146 3.1. Трансформаторы тока и их погрешности.................. 146 3.2. Параметры, влияющие на уменьшение намагничивающего тока 152 3.3. Требования к точности трансформаторов тока, питающих РЗ 154 3.4. Выбор трансформаторов тока и допустимой вторичной нагрузки 158 3.5. Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов тока.. 163 3.6. Нагрузка трансформаторов тока......................... 172 3.7. Фильтры симметричных составляющих токов ............. 174 3.8. Новые преобразователи первичного тока................. 178 Глава четвертая. Максимальная токовая защита.................... 181 4.1. Принцип действия токовых защит........................ 181 4.2. Максимальная токовая защита ЛЭП....................... 182 4.3. Схемы МТЗ на постоянном оперативиом токе.............. 183 4.4. Поведение МТЗ при двойных замыканиях на землю......... 192 4.5. Выбор тока срабатывания............................... 194 4.6. Выдержки времени защиты............................... 199 4.7. Максимальная токовая защита с пуском от реле напряжения .... 201 4.8. Максимальные токовые защиты на переменном оперативном токе 205 4.9. Максимальные токовые защиты с реле прямого действия.... 223 4.10. Общая оцеика и область применения МТЗ................. 225 Глава пятая. Токовые отсечки.................................... 226 5.1. Принцип действия токовых отсечек...................... 226 5.2. Схемы отсечек ........................................ 227 5.3. Отсечки мгновенного действия на линиях с односторонним пи- танием .................................................... 227 5.4. Неселективные отсечки................................ 230 5.5. Отсечки на линиях с двусторонним питанием............. 231 5.6. Отсечки с выдержкой времени........................... 232 Глава шестая. Трансформаторы напряжения и схемы их соединения.... 235 6.1. Основные сведения..................................... 235 6.2. Погрешности трансформатора напряжения................. 236 6.3. Схемы соединения трансформаторов напряжения........... 238 6.4. Повреждения в цепях TH и контроль за их исправностью.. 242 6.5. Емкостные делители напряжения......................... 246 6.6. Фильтр напряжений обратной последовательности......... 247 Глава седьмая. Токовая направленная защита...................... 251 7.1. Необходимость направленной защиты в сетях с двусторонним пи- танием .................................................... 251 7.2. Функциональная схема и принцип действия токовой направлен- ной защиты................................................. 253 7.3. Схемы включения реле направления мощности........... 255 7.4. Поведение реле направления мощности, включенных на токи не- поврежденных фаз........................................... 258 7.5. Схемы направленной максимальной токовой защиты........ 259 7.6. Выбор уставок срабатывания............................ 261 7.7. Мертвая зона ......................................... 263 7.8. Токовые направленные отсечки.......................... 265 7.9. Оценка токовых направленных защит..................... 265
Глава восьмая. Защита от коротких замыканий на землю в сети с глухоза- земленной нейтралью............................................ 266 8.1. Общие сведения........................................ 266 8.2. Максимальная токовая защита нулевой последовательности .... 270 8.3. Токовые направленные защиты нулевой последовательности .... 272 8.4. Отсечки нулевой последовательности.................... 277 8.5. Ступенчатая токовая защита нулевой последовательности.. 278 8.6. Выбор уставок токовых защит нулевой последовательности. 280 8.7. Оценка и область применения защит..................... 288 Глава девятая. Защита от однофазных замыканий на землю в сети с изоли- рованной нейтралью............................................. 288 9.1. Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю.... 288 9.2. Основные требования к защите.......................... 295 9.3. Принципы выполнения защиты от однофазных замыканий на землю ..................................................... 297 9.4. Фильтры токов и напряжений нулевой последовательности.. 298 9.5. Токовая защита нулевой последовательности............. 302 9.6. Направленная защита................................... 306 9.7. Защита, реагирующая на высшие гармоники тока в установив- шемся режиме............................................... 308 9.8. Защиты, реагирующие на токи переходного режима........ 313 Глава десятая. Дифференциальная защита линий................... 318 10.1. Принцип действия продольной дифференциальной защиты.... 318 10.2. Токи небаланса в дифференциальной защите.............. 321 10.3. Общие принципы выполнения продольной дифференциальной защиты линии ............................................... 327 10.4. Дифференциальные реле с торможением................... 329 10.5. Полная схема дифференциальной защиты линий............ 331 10.6. Устройство контроля исправности соединительных проводов .... 332 10.7. Продольная дифференциальная защита линий типа ДЗЛ...... 335 10.8. Оценка продольной дифференциальной аящиты............. 341 10.9. Принцип действия и виды поперечных дифференциальных за- щит параллельных линий...................................... 341 10.10. Токовая поперечная дифференциальная защита........... 342 10.11. Направленная поперечная дифференциальная яящитя...... 346 10.12. Оценка направленных поперечных дифференциальных защит . . . 360 Глава одиннадцатая. Дистанционная защита....................... 361 11.1. Назначение и принцип действия......................... 361 11.2. Характеристики выдержки времени дистаниионньгг защит... 363 11.3. Принципы выполнения селективной защиты сети с помощью ступенчатой дистанционной защиты............................ 364 11.4. Структурная схема дистанционной защиты со ступенчатой ха- рактеристикой .............................................. 365 11.5. Схемы включения дистанционных и пусковых измерительных органов на напряжение и ток сети............................ 369 11.6. Характеристики срабатывания реле сопротивления и их изобра- жение на комплексной плоскости.............................. 376 796
11.7. Общие принципы выполнения реле сопротивления, используе- мых в ДЗ в качестве измерительных органов, и требования к их конструкциям.................................................. 381 11.8. Реле сопротивления на диодных схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин........................... 385 11.10. Реле сопротивления на сравнении фаз двух электрических вели- чин, выполняемые на ИМС...................................... 395 11.11. Схемы трех основных функциональных элементов PC, построен- ных на сравнении фаз.......................................... 399 11.12. Реле сопротивления со сложными характеристиками срабатыва- ния, выполненные на ИМС....................................... 409 11.13. Пусковые органы дистанционных защит.................... 420 11.14. Погрешность срабатывания PC, обусловленная током/р..... 425 11.15. Искажение действия дистанционных органов............... 428 11.16. Выполнение схем дистанционных защит.................... 432 11.17. Дистанционная защита типа ШДЭ-2801, выполняемая на ИМС . . . 437 11.18. Выбор уставок дистанционной защиты..................... 447 11.19. Оценка дистанционной защиты............................ 455 Глава двенадцатая. Предотвращение неправильных действий защиты при качаниях......................................................... 457 12.1. Характер изменения тока, напряжения и сопротивления на за- жимах реле при качаниях..................................... 457 12.2. Поведение защиты при качаниях.......................... 460 12.3. Меры по предотвращению неправильных действий РЗ при кача- ниях ....................................................... 462 12.4. Блокирующее устройство, реагирующее на несимметрию токов или напряжений сети......................................... 463 12.5. Устройство блокировки при качаниях, реагирующее на скорость изменения тока, напряжения или сопротивления................ 468 12.6. Блокирующее устройство, реагирующее на скачкообразное при- ращение электрических величин (векторов тока прямой и обрат- ной последовательностей).................................... 470 Глава тринадцатая. Высокочастотные защиты........................ 484 13.1. Назначение и виды высокочастотных защит................ 484 13.2. Принцип действия направленной защиты с ВЧ-блокировкой... 484 13.3. Принцип действия дифференциально-фазной высокочастотной защиты ..................................................... 486 13.4. Принципы выполнения и работы высокочастотной части защиты 489 13.5. Схемы направленных защит с высокочастотной блокировкой .... 495 13.6. Схема дифференциально-фазной ВЧ-защиты................. 503 13.7. Новая направленная защита с ВЧ-блокировкой ПДЭ-2802 на ин- тегральных микросхемах...................................... 513 Глава четырнадцатая, линий енерхвысокого напряжения........ 523 14.1. Особенности линий электропередачи сверхвысокого напряжения 523 14.2. Особенности релейной защиты ЛЭП СВН.................... 525 14.3. Направленная и дифференциально-фазная ВЧЗ типа ПДЭ-2003 530 14.4. Выполнение РЗ на электропередачах 500—1150 кВ.......... 533 797
Глава пятнадцатая. Защита линий с ответвлениями................... 535 15.1. Линии с ответвлениями................................... 535 15.2. Токовые и дистанционные РЗ со ступенчатой характеристикой 537 15.3. Дифференциальные защиты................................. 539 15.4. Высокочастотные защиты.................................. 540 Глава шестнадцатая. Защита трансформаторов и автотрансформаторов .... 544 16.1. Повреждения и ненормальные режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов, виды защит и требования к ним...........544 16.2. Зящитя от сверхтоков при внешних коротких замыканиях..... 549 16.3. Зашита от перегрузки.................................... 566 16.4. Токовая отсечка......................................... 568 16.5. Дифференциальная защита ................................ 569 16.6. Токи небаланса в дифференциальной защите трансформаторов и автотрансформаторов........................................... 576 16.7. Токи намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов при включении их под напряжение............................... 580 16.8. Применение насыщающегося трансформатора для отстройки от тока небаланса................................................ 583 16.9. Схемы дифференциальных защит............................ 587 16.10. Газовая защита трансформаторов.......................... 607 16.11. Особенности защиты трансформаторов, не имеющих выключа- телей на стороне высшего напряжения............................ 614 16.12. Особенности зашиты трансформаторов собственных нужд АЭС 618 Глава семнадцатая. Защита генераторов............................. 621 17.1. Повреждения и ненормальные режимы работы генераторов, основные требования к защите генераторов...................... 621 17.2. Защита от междуфазных коротких замыканий в обмотке статора 629 17.3. Защита от замыканий между витками одной фазы............ 635 17.4. Защита от замыканий обмотки статора на корпус (на землю). 639 17.5. Защита от сверхтоков при внешних КЗ и перегрузках....... 653 17.6. Защита от повышения напряжения.......................... 662 17.7. Защита ротора........................................... 662 17.8. Защита синхронных компенсаторов......................... 670 Глава восемнадцатая. Защита блоков генератор-трансформатор и генера- тор-трансформатор—линия .......................................... 672 18.1. Особенности защиты блоков............................... 672 18.2. Защиты блока генератор—трансформатор.................... 674 Глава девятнадцатая. Защита электродвигателей..................... 699 19.1. Общие требования к защите электродвигателей............. 699 19.2. Основные виды защит электродвигателей................... 700 19.3. Некоторые свойства асинхронных электродвигателей........ 701 19.4. Защита электродвигателей от КЗ между фазами............. 706 19.5. Защита электродвигателей от перегрузки.................. 708 19.6. Защита электродвигателей от замыканий на землю.......... 712 19.7. Защита электродвигателей от понижения напряжения........ 715 19.8. Расчет токов самозапуска электродвигателей и остаточного на- пряжения на их зажимах........................................ 718 798
19.9. Полные схемы защиты асинхронных электродвигателей 6,3 кВ [38] 722 19.10. Зятцитя электрпляигатепей напряжением ниже 1000 В.... 725 19.11. Защита синхронных электродвигателей.................. 728 Глава двадцатая. Защита сборных шин [59]............................... 734 20.1. Назначение защиты шин................................ 734 20.2. Дифференциальная зашита шин.......................... 735 20.3. Мероприятия по повышению надежности и чувствительности ДЗШ 737 20.4. Схемы дифференциальных защит шин..................... 740 20.5. Уставки дифференциальной защиты шин с реле типа РНТ.. 750 20.6. Дифференциальная защита шин ПО кВ и выше с торможением 751 20.7. Зашита шин 6-10 кВ................................... 760 20.8. Защита шин типа ПДЭ-2006 на интегральных микросхемах. 764 Глава двадцать первая. Резервирование действия релейных защит и выклю- чателей .............................................................. 765 21.1. Необходимость и способы резервирования....................... 765 21.2. Принципы выполнения УРОВ..................................... 768 21.3. Выбор уставок реле УРОВ...................................... 772 21.4. Повышение эффективности дальнего резервирования.............. 773 Глава двадцать вторая. Микропроцессорные (цифровые) релейные защиты 774 22.1. Общие сведения............................................... 774 22.2. Функциональная схема РЗ на микропроцессорах.................. 775 22.3, Микропроцессорная система.................................... 779 22.4. Программное обеспечение микропроцессорной системы............ 781 22.5. Терминал микропроцессорной дистанционной зашиты ЛЭП 330 кВ и выше ............................................... 783 Список литературы...................................................... 791
Учебное издание Чернобровое Николай Васильевич Семенов Владимир Александрович РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Редактор издательства И. В. Ольшанская Художественный редактор Б. Н. Тумин Технический редактор Н. М. Брудная Корректоры Е. В. Кудряшова, С. Ю. Торокино ЛР № 010256 от 07.07.97. Набор выполнен в издательстве. Подписано в печать с оригинал-макета 16.03.98. Формат 60 х 901/16. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 50,0 Усл. кр.-отт. 50,0. Уч.-изд. л. 47,38. Тираж ЗОООэкз. Заказ 314т Энергоатомиздат. 113114, Москва М-114, Шлюзовая наб., 10. Отпечатано в типографии НИИ Геодезия г. Красноармейска, Московской обл.