/
Автор: Федосеев А.М. Федосеев М.А.
Теги: электротехника электроэнергетика электроника релейная защита реле защиты реле
ISBN: 5-283-01171-2
Год: 1992
Текст
А.М. Феgосеев
М. А. Фе · осеев
РЕЛЕИНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРО..
ЭНЕРrЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Для студентов вузов
А
Б
8
t t !
.
I
,
I
I
,
I
I
l
А.М. Феgосеев
М. А. Феgосеев
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
ЭЛЕКТРО..
ЭНЕРrЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
2 e издание, перера60танное
и дополненное
Рекомендовано Комитетом по высшей школе
Министерства науки, высшей школы
и технической политики Россимской Федерации
для студентов вузов, обучающих,,!
по специальности «Автоматическое
управление электроэнерrетическими
системами"
МОСКВА ЭНЕРrОА ТОМИЗДА т 1992
ББК 31.27-05
Ф 34
УДК 621.316.925(075.8)
Ре ц е н э е н т ы: кафедра автоматизированных ЭJlектрк
ческих систем Рижскоrо политехинческоrо кнетитута, кафед
ра электрических станЦИЙ НОБQчерка<::скоrо политехиическоrо
института
ф
1I,lltllfll'
105-01
ББК 31.27-05
Заслуженный деятель науки н техники РСФСР, лауреат
Ленинской н rосударственной премнй Алексей Михайло-
вич Федосеев внднейший советскнй ученый в области ре-
лейной защнты н автоматнзацнн знерrоснстем, доктор тех-
нических наук, профессор.
В 1929 с. после окончання МВТУ А. М. Федосеев был
направлен в проектный отдел Энерrостроя. Здесь он создал
коллектив высококвалифицнрованных специалистов для
проектнрования и разработкн релейной защиты н автома-
тики электрических станций, подстанций и сетей BblCOKoro
напряжения (СРЗиУ), работой KOToporo руководил БО.,ее
35 лет в Теплозлектропроекте, а затеМ в Эщрrосетьпроек-
те. Там были заложены основы теорин релейной защнты и
системной автоматики, а впоследствии устойчивости и
моделнровання. Под руководством А. М. Федосеева СРЗиУ
ТЭП вскоре. стал одним из основных научно-исследова-
тельских центров Союза в области техникн релейной за-
щиты. В СРЗиУ разрабатывались и решадись теоретиче-
ские и практические задачи по созданию новых устройств
релейиой ащиты, методов их расчета, был разработан ком-
плекс устройств релейной защиты и автоматикн для пер-
вой в Союзе электропередач н cBepxBblcoKoro напряжения.
Федосеев А. М., Федосеев М. А.
Ф 34 Релейная защнта электроэнерrетических сис-
тем: Учеб. для вузов. 2-е нзд., перераб. и доп.
М.: Энерrоатомнздат, 1992. 528 С.: И,1.
ISBN И83-01171-2
Рассматриваются ОСНОВЫ техники релейной защиты Tpex
фnзных еистем напряжением выше 1 кВ; общие прliНЦИШ:l за
ЩИТЫ, защиты линий, шин, reKepaTopOB, трансформаторов.
IIImтрnнсформаТОрО8 и двиrателеЙ. l e издание ВЫШЛО
11 1 )76 r., во 2-е внесены :методические изменения,
I1 Щ'М также рассмотрены новые принципы осуществления
','IILI11'
'\""1 l'тудентов по специальности «Автоматическое управ
1'-11111- li1l'K'1 рознерrетическими системами», может быть поле-
,'11 . 1 \ 11I'1I'II1M друrкх ЭJJектроэнерrетичес.ких спецнальностеЙ.
"II)II'ЩI141110RI
" 1',' . '/\ I 11 11 i 1 ,
@ Авторы. 1992
l'
3
Большой личный вклад внес Алексей Михайлович в разра
ботку вопросов надежности релейной защиты, а также в co
здание защит ЛЭП cBepxBblcoKoro и ультравысокоrо Ha
пряжений на интеrральных микросхемах. Около 60 лет
вел А. М. Федосеев педаrоrическую и научную работу в
МЭИ, rде в 1942 r. при ero непосредственном участии была
создана кафедра релейной защиты и автоматизации ЭНерrо
систем. С 1961 по 1973 r. он еыл деканом электроэнерrети
ческоrо факультета.
А. М. Федосеев автор мноrочисленных статей, MOHO
rрафий, учебников, посвященных теории и практике релей-
ной защиты. Значительная часть ero трудов переведена и
издана за рубежом. Ценным вкладом в электротехничес
кую .1итературу явилась книrа А. М. Федосеева «Oc
новы релейной защиты». В 1976 r. им был издан
учебник для вузов «Релейная защита электрических
систем».
Трудами А. М. Федосеева создана отечественная школа
специалистов по релейной защите. Ero деятельность в каче
стве председателя cOBeTcKoro национальноrо техническоrо
комитета по релейной защите МЭК и сиrрэ спосоБСТВОВd
.1а подтверждению BbIcoKoro научноrо уровня отечественной
техники релейной защиты в этих международных орrаниза-
циях. А. М. Федосеев вел большую общественную работу:
возrлавлял Научно техническую комиссию по релейной за
щите в [КНТ СССР, был председателем MOCKoBcKoro прав-
ления ВНТОЭ, членом Всесоюзноrо Совета НТО, MHoro лет
был членом редколлеrии журнала «Электричество».
Алексей Михайлович всесторонне одаренный человек,
имевший оrромный авторитет у специалистов релейщиков
и мноrих энерrетиков, он был исключительно скромным,
неизменно доброжелательным и отзывчивым. Для мноrих
своих учеников и коллеr он был примером мудрости, He
обычайной преданности любимому делу, оrромной работо
способности, настойчивости в достижении цели.
Настоящий учебник обобщает мноrолетний опыт талант
ливоrо инженера, ученоrо и педаrоrа и несомненно будет
способствовать формированию высококвалифицированных
специалистов.
Зав. кафедрой релейной защиты и автоматики
энерсосистем МЭИ, доктор техн. наук, nроф.
В. П. МОРОЗКИ Н
Старший научн. сотрудник института Энерсо-
сетьnроект, лауреат Ленинской nремии, канд. техн.
наук В. М. ЕРМОЛЕНКО
ПРЕДИСЛОВИЕ 1<0 ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Изложение основ курса в сжатом объеме учебника CTa
новится все более трудным вследствие усложнения решае
мых релейной защитой задач, обусловленных внедрением
все более высоких напряжений электропередач, увеличени-
ем мощности машин со все более интенсивным использова-
нием в них активных материалов, с внедрением более
проrрессивных элементных баз (например, микропроцессор-
ной) для осуществления защит, усложняющих, однако, изу-
чение последних. В результате появился ряд книr, MOHorpa
фий даже по отдельным защитам, которых в курсе, OXBaTЫ
вающем все разделы этой области техники, очень MHoro.
Техника релейной защиты оформил ась в самостоятель-
ное научное направление Со своими научными основами,
мало изменяющимися при переходе от одной элементной
базы к друrой, со своими принципами, закладываемыми в
выполнение защит.
Поэтому в данном учебнике, учитывая установленный
для Hero объем, кратко рассматриваются только принципы
выполнения защит и их свойства на базе соотношений элек
трических величин при повреждениях и ненормальных pe
жимах работы, для реаrирования на которые эти защиты
предусматриваются.
Авторы полаrают, что значение данноrо в книrе OCHOB
Horo материала обязательно для всех студентов, решивших
посвЯтить в дальнейшем себя работе в трудной, но интерес
ной области техники релейной защите. Более подробное
изучение защит должно осуществляться в счет часов дo
полнительных курсов. Материал в книrе изложен так, что
бы студенты изучали в первую очередь принципы защит, а
не выполнение отдельных устройств, которые MorYT доволь
но часто модернизироваться или вообще заменяться HOBЫ
ми, и на базе историческоrо развития техники умели крити
чески оценивать ее существующие формы и по возможности
5
rотовиться к работе по дальнейшему совершенствова-
нию защит. В учебнике приводятся краткие данные о вкла-
де отдельных (преимущественно отечественных) специали-
Стов в развитие техники защиты, причем отмечаются в ос-
новном те, кто внес вклад в развитие собственно принципов
выполнения защит. Для сокращения списка литерату-
ры в Hero включены только книrи и моноrрафии, характе-
ризующие этапы развития 'fехники защиты или необходи-
мые для более rлубокоrо изучения вопроса. Ссылки на
статьи даны в исключительных случаях, если соответству-
ющеrо материала нет в книrах.
Настоящее, второе, издание учебника, в значительной
мере переработанное по сравнению с первым, составлено в
соответствии с уточненной проrраммой курса для специ-
альности 21.04.
Тяжелая болезнь и смерть оборвали работу А. М. Фе-
досеева над учебником. rлубокая признательность выра-
жается зав. кафедрой «Релейной защиты и автоматизации
энерrосистем» МЭИ доктору техн. наук, проф. В. П. Мороз-
кину и всему коллективу кафедры за дружескую помощь,
оказанную в процессе работы над книrой, а также рецен-
зентам зав. кафедрой «Автоматизированные электрические
системы» РПИ А. С. Саухатасу, проф. Л. Б. Паперно, до-
центу Л. А. Орехову и особенно зав. кафедрой «Электриче-
ские станции» НПИ доктору техн. наук, проф. В. В. Пла-
тонову и коллективу кафедры за ценные замечания и по-
лезные предложения, использование которых помоrло улуч-
шить учебник.
Все пожелания по улучшению учебника просьба направ-
лять в адрес издательства: 113114, Москва, M-114, Шлюзо-
вая наб., 10, Энерrоатомиздат.
А вторы
ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
БПИ Белорусский политехннческий ииститут
В3ПИ Всесоюзный заочный политехническнй институт им. С. Орд-
жоникидзе
ВНИИР Всесоюзный научно-исследовательский ннститут реле-
строения
ВНИИЭ Всесоюзный научно-нсследовательскнй институт электро-
эиерrетики
ЕрПИ Ереванский политехнический институт .
ИЭИ Ивановский энерrетический институт им. В. И. Ленина
ИЭД АН УССР Институт электродинамики Академии наук УССР
Лаборатория им. А. А. Смурова лаборатория высоких напряже-
иий при ЛЭТИ Ленинrрадском электротехническом институте
им. В. И. Ульянова (Леннна)
ЛПИ Ленинrрадский политехнический институт им. М. И. Кали-
нина
льв.пИ Львовский политехнический институт
МВТУ Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Бау-
мана (ныне [ТУ rосударственный технический университет)
МЭИ Московский энерrетический институт; кафедра Р3иА МЭИ
ero кафедра релейной защиты н автоматизации энерrосистем
МЭК Международная электротехническая комиссия
НИИПТ Научно-нсследовательский институт постоянноrо тока
НПИ Новочеркасский политехнический ннститут им. С. Орджо-
иикидзе
НЭТИ Новосибирский электротехнический институт
РПИ Рижский политехнический институт им. В. И. Ленина и ero
проблемная лабораторня
сиrРэ Международная конференция по большим электрическим
системам
Союзтехэнерrо Производствеиное объединение по наладке, совер-
шенствованию технолоrин и эксплуатацни электростанций и сетей (ра-
нее оРrРэс)
7
СРЗИJ: ТЭП Сектор р'елейной защиты и устойчивости с ero ла-
бораториями института «Теплоэлектропроект:t (позднее ЭСП)
ТПИ Томский политехнический ииститут им. С. М. Кирова
УПИ Уральский 'политехнический институт им. С. М. Кирова
ХЭМЗ Харьковский электромеханический завод
чrУ Чувашский rосударственный университет
ЧПИ Челябинский политехнический институт
ЧЭАЗ Чебоксарский электрраппаратный завод
ЭНИН Энерrетический институт им. [. М. Кржижаиовскоrо
ЭСП Всесоюзный rосударственный проектно-изыскательский R
научно-исследовательский институт «Энерrосетьпроект:t
ВВЕДЕНИЕ
8.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕйНОй ЗАЩИТЫ
При проектировании и эксплуатации любой электроэнер-
rетической системы приходится считаться с возможностью
возникновения в ней повреждений и ненормальных режи-
мов работы. Ниже рассматриваются электрические трех-
фазные системы переменноrо тока с Ином> 1 кВ. Наиболее
распространенными и в то же время наиболее опасными
видами повреждений в них являются короткие замыкания
(1(3). Одним из основных видов ненормальных режимов
работы являются переrрузки. В переrруженном элементе
возникают токи, превосходящие длительно допустимые для
Hero значения. Температура токоведущих и друrихчастей
может при этом недопустимо повышаться, сами они дефор-
мироваться, а их изоляция ускоренно изнашиваться или да-
же разрушаться.
Повреждения и ненормальные режимы раБОТI;>I MorYT
приводить к возникновению в системе аварий, под которы-
ми обычно понимаются вынужденные нарушения нормаль-
ной работы всей системы или ее части, сопровождающиеся
определенным недоотпуском энерrии потребителям, недопу-
стимым ухудшением ее качества или разрушением основ но-
ro оборудования.
Первопричины возникновения аварий бывают весьма
разнообразными, но в большинстве своем являются резуль-
татом своевременно не обнаруженных и не устраненных де-
фектов оборудования, неудовлетворительных проектирова-
ния, монтажа и эксплуатации. Плановое хозяйство нашей
страны, в котором orpoMHoe значение имеет энерrетика,
требует бесперебойноrо электроснабжения потребителей.
Поэтому следует стремиться работать безаварийно. Предот-
вращение возникновения аварий или их развития при по-
вреждениях в электрической части энерrосистемы часто
9
может быть обеспечено путем быстроrо отключения по
врежденноrо элемента.
ПО условиям обеспечения бесперебойной работы непо-
врежденной части системы и уменьшения размеров повреж-
дения оборудования время отключения к.з должно быть
ПО возможности малым, часто это десятые, а иноr да и co
тые доли секунды. НеобхоД]IМО также иметь в виду, что к.з
в любом меСте системы ввиду взаимосвязанности всех ее
элементов в той или иной мере немедленно отражаются на
работе значительной ее части. Совершенно очевидно, что
дежурный персонал не в состоянии в требуемое малое вре:
мя отметить возникновение к.з, выявить поврежденныи
элемент и дать сиrнал на отключение ero выключателей.
Поэтому электрические у тановки снабжuаю:,ся автома}иче-
ски действующими устроиствами релеинои защит{)и или
предохранителями (последние преимущественно в система
с U НОМ < 1 кВ), осуществляющими защиту от повреждении
и некоторых ненормальных режимов работы.
Осн.овн.ым н.азн.ачен.ием релейн.ой защиты является aB
томатическое отключение поврежденноrо элемента (как
правило, при к.з) от остальной, неповрежденной части си-
стемы при помощи выключателей. Таким образом, она яв-
ляется одним из видов противоаварийной автоматики си-
стем. Важность этоrо вида автоматики определяется тем,
что без нее вообще невозможна бесперебойная работа элек-
троэнерrетических установок. Следует отметить, что HeKO
торые виды повреждений, например одн фаз ые за
мыкания на землю в сетях с изолированнои неитралью,
непосредственно не нарушают работу системы. В Ta
ких случаях часто допускают действие защиты только
на сиrнал.
Дополн.ительн.ым н.азн.ачен.иеМ релейн.ой защиты являет-
ся необходимость ее реаrирования на опасные ненормаль-
ные режимы работы элементов системы. В зависимости от
Йх вида и условий эксплуатации установки (например, на-
личия или отсутствия постоянноrо дежурноrо персонала!
защита деЙС1;вует на сиrнал или отключение выключателеи
тех элементов, оставлять которые на некоторое время в ра-
боте нежелательно или даже недопустимо, так как это мо-
жет привес1'И к возникновению повреждения или аварии.
Релейную защиту, которая должна реаrировать на ненор-
мальные режимы работы, часто целесообразно выполнять
не быстродействующей, как защиту от к.з, а с определен-
ной выдержкой времени.
10
Название «релейная защита» появилось в ряде стран в связи с
тем, что рассматриваемый вид противоаварийной автоматики иачал
осуществляться с использованием электромеханических аппаратов, иа
званных реле. В дальиейшем этот термин получнл всеобщее призиаиие
и был узаконен в Международном электротехническом словаре, сы-
rравшем большую роль в становлении отечественной термииолоrии.
Впервые реле было разработаио и построено русским ученым
П. Л. Шиллинrом в 1830 1832 rr. Оно составляло существеиную
часть вызывноrо прнбора в изобретениом им телеrрафе. Реле было
сконструировано в 1835 r. физиком [енри. Аппарат получил примеие-
иие в телеrрафии, в связи с чем, по видимому, и получил наимеиоваиие
!J
а) Хб
Рис. B.I. Действие (а), релейная арактеристика (6) и функциональные
части реле (8)
«реле» (французское слово relais в первоначальном смысле соответст-
вовало русским выражениям «перекладные лошади», «почтовая CTaH
ция, r де стояли сменные лошади»).
в техиике релейной защиты под термииом реле в соответствии с
[ОСТ обычно поиимают автоматически действующий аппарат, пред-
иазначеиный при заданном зиачении воздействующей величииы, ха-
рактеризующей определенные внешние явления, производиты скачко-
образное изменение в электрических цепях управления или сиrнализа-
ции. Реле, применяемые для осуществлеиия защит, обычио имеют
электрические воздействующие величины и называются электрическими.
Рисунки B.I, а и 6 иллюстрируют работу электрическоrо реле,: при оп-
ределенном значении воздействующей величины x xc,p (например, то,-
ка J в защищаемом элемеRте), обусловливающем срабатывание реле,
скачком изменяет свое значение выходной сиrнал у; при возврате. реле
(х==х.) сиrнал у принимает первоначальное значение. .
В соответствии с [ОСТ электрические реле имеют пять основных
функциональных ча тей (рис. B.I, 8): воспринимающую 1, преобразу-
ющую 2, сравнивающую 3, исполнительную 4 и замедляющую 5. В ре-
ле, реаrнрующих более чем на одну величину, может иметься l!ecKOJlbKO
II
однотипных частей. В предположении, что реле используют непрерыв
ную форму получаемой информации, в воспринимающей части иепре
рывиые воздействующие величины превращаются в непрерывные Be
личины, удобные для дальнейшеrо использования; в преобразующей
род тока, характер изменения во времени или вид энерrии преобразу
ется в удобный для сравиения; в сравнивающей производится сравне-
ние преобразоваиных величин и обеспечивается дискретная величина
на выходе; в исполнительной усиливаются дискретиые сиrиалы и она
(у электромеханических реле 'IKoIITaKT) обеспечивает скачкообразное
изменение состояния управляемых электрических цепей; в замедляю-
щей обеспечивается требуемая выдержка времеии. Кроме перечислен-
ных реле MorYT иметь и дополнительиые функциональные части, иа-
пример задающие 6, в котерых про изводятся определеиные иастройки.
Перечислеиные фуикциоиальные части ие всеrда имеют отдельное кон-
структивное оформлеиие. Нередко несколько таких частей орrанически
сочетаются и входят в реле в неявном виде (например, у электроме-
ханических реле). Необходимо также отметить, что в последние rоды
поивились реле, использующие дискретную входную информацию, пре-
образующие непрерывиую ииформацию в дискретную и т. д. Для таких
реле приведенные определеиия нуждаются в уточнении.
Существует MHoro способов классификации реле. Они для электро-
устаиовок с Uf{OM> 1 кВ MorYT быть, иапример, классифицироваиы как:
элек:rромеханичеСlШе с подвижными элементами и статические без
подвижных элементов; максимальные и минимальные срабатывающие
при увеличении или соответствеино уменьшении воздействующей ве-
личииы; тока, напряжения, направления мощности, измерительные и
лоzические ит. д. (измерительные по роду величины, вызывающей
срабатываиие) .
Первоначальио реле' выполнялись электромеханическими. В даль
нейшем все большее пj>именение получают статические реле (преиму-
щественно :полупроводииковые). В настоящее время релейная защита
начииает выполняться с использованием микропроцессориой техиики;
при эт'ом основными элемеитами защиты являются уже ие реле, а мик-
ропроцессоры управляемые интеrральиые микросхемы с проrрамма
ми, зак.iiадьiваемыми в' их запомииающее устройство. Защиты с микро-
праriессорltо'й элемеитной базой MorYT быть иазваны микропроцессор-
ными 'i!j/iI' проrраммными. Однако при любой элемеитиой базе научные
осн'авы рассматриваемой области техники остаются неизмеиными, со-
хрilНЯioтся и мноrие осиовиые прииципы выполнения защит. Поэтому
за даииой областью техники целесообразно сохранить назваиие тех-
ника релейной защиты.
В табл. B.I приведены примеры обозначений реле и их частей.
Способы выполиеиия защит весьма разнообразиы. Однако все
они обычно строятся на электрических принципах, выполняются в
Таблица В.I
BIIДbl реле и вспомоrательRыx
элементов и юс кодовые
обооиачеиии
виды контактов реле, их обмоток и HeKoтopliIX
элементов
Вид I(од Вид контакта Обозначен ие
Реле К Замыкающий ............../ ..............
Реле тока КА Замыкающий с за- J
Реле тока с выдерж- КАТ медлением при сраба-
тываини
кой времени
Реле иапряжения КУ Замыкающий с замед- J
Реле направления /(W лением при возврате
мощности
Реле сопротивления /(Z Размыкающий
Реле промежуточное /(L Размыкающий с за-
Реле указательное КВ медлением при сраба-
тывании
Реле времени КТ Размыкающий с за-
/(QT медлением при воз-
Реле положения «OT врате
ключено»
Реле положения /(QC С переключением
«включеио»
Реле тока с торможе- KAW Замыкающийся крат-
нием ковременио ............... "------
Фильтр Z
Фильтр тока ZA Размыкающий с дуrо-
rашением
Фильтр иапряжения ZV ОБМО11<а одиообмо- *
Частотный фильтр ZF точноrо реле
Электромаrнит УАТ Обмотки двухобмо- =fi=
от- точиоrо реле
ключения
Плавкий предохрани- F Электромаrнит от- %
тель ключения
I
Кнопка управления SB
При м е ч а н н я: 1. Статические реле осуществляют управлеиие не коитак-
тами, а электрическими сиrналами.
2. I(оитакты реле изображаются для «обесточениоrо» состояния обмоток
последних, показывать контакты после срабатывания реле rOCT не предусмат-
рнвается.
З. I(оды. принятые для реле, ииже (иапример, в rл. 2) используются также
для opraHoB защиты.
12
13
большинстве случаев автоноыныыи устройствами и нмеют в общем
случае две rлавные частн (рис. В.2) нзмерительную н лоrнческую.
Измерительиая часть, включающая нзмерительные opraHbl, непре
рывио контролирует состояние защищаемоrо объекта и определяет
условия срабатывания в соответствни со значениямн входных воздей
ствующнх величин. Лоrическая часть, включающая лоrнческие opraHbl,
фор мирует управляющие воздействия в зависнмостн от комбинации и
последовательности поступления на нее сиrналов от измерительной
части. Обычно лоrическая часть ':действует на выключателн не непо
Бесперебойная работа электроэнерrетических систем обеспечивает
ся применением как релейной защиты, так и ряда друrих устройств
противоаварийной автоматнки. Работа MHorHx из этих устройств свя
зана с работой релейиой защиты; все они входят в кибернетическую
систему управлення электроэнерrетической системой прн нарушениях
€e нормальных режнмов работы.
8.2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ РЕЛЕйНОй ЗАЩИТЫ
TV
I
I
I '
I I
Сш! налы с iIp!l
ZOtl стороны за
щиЩQеМGZО элемента
К:ак известно, в 1888 r. выдающийся русскнй электротехиик
М. О. Доливо Добровольскнй, которому принадлежит MHoro работ и
изобретений в разных областях электротехники, изобрел снстему Tpex
фазноrо тока. Вскоре под ero руководством впервые в мире была
осуществлена передача электрнческой энерrии токами достаточно BЫ
COKoro напряження (8,5 кВ) на большое расстоянне. Это было важным
событием в истории электроэнерrетики, и системы трехфазноrо тока
вскоре получнли широчайшее применение. Их эксплуатация, как и
друrих электрических снстем, была невозможна без защнт от электри
ческнх поврежденнй, наиболее распространеннымн и опасиыми из KO
"орых, как указывалось ВЫШе, являются К:З.
в электрической системе К:З в большиистве случаев сопровожда
ются возрастанием тока. Поэтому первыми появнлись токовые защи
ты, действующне в случае, коrда ток в защищаемом элементе превы
шает заранее установленное значение. Токовые защиты MorYT выпол
няться плавкими предохранителями или реле. Плавкие предохранители
использовались для защнты первых электроэнерrетических установок
€ще в конце прошлоrо века. В скором времени они в ряде случаев
перестали удовлетворять своему назначению н сталн заменяться YCT
ройствами, основнымн элементам н которых были электромаrнитные
реле тока. Однако конструкции плавких предохранителей совершенст
вуются, и они продолжают с успехом использоваться не только в си
стемах напряжением ннже1 кВ, но также и в распределительных ce
"ях более высоких напряжений.
Широкое применение для защиты реле получают в начале ХХ CTO
Jlетия. В 1901 r. появляются индукционные реле, построенные на базе
индукционных измерительных механизмов, предложенных и разрабо
танных также М. О. Доливо Добровольским. В 190&--------1908 rr. разраба
"ываются дифференциальные токовые з.ащиты. С 191 О r. начннают
применяться токовые направленные защиты; к этому же времен н OT
носятся попытки выполнения дистанционных реле (реле сопротивле
иия), завершившиеся выпуском в начале 20 x rодов дистанционных
аащит.
К: 20 M rодам относится также выпуск первых обобщающих пуб
Рис. В.2. Структурная схема автоно ной защиты
средствеиио, а через исполнительный opraH. Измерительная часть, как
правило, получает ннформацию о токах и напряженнях в месте вклю
чения защиты через первичные измерительные преобразователн
траисформаторы тока и иапряжения (Т А и TV).
ДЛЯ продольных защит их измернтельиые или лоrические части
получают информацию также с друrой стороны защищаемоrо элемеи
та, с друrой электроустаиовкн по вспомоrательныы проводаы или спе
циальныIM каналам связи. Для поперечных защит основиые части за
щиты получают информацию от друrнх элемеитов, присоединеиных к
общим шинам, по вспомоrательным проводам в пределах общей для
них электроустановки.
Дополнительно в защнте предусматриваются сиrнаJIьные opraHbI,
дающие сиrналы о срабатываиии устройства защиты в целом, а в ряде
сл чаев и отдельных ero частей, а также иноrда и специаЛЬные YCT
роиства для их проверки. Учитывая нзложенное, в защнту в более
широком смысле включают также вторнчные цепн ТА и TV, каналы
связи, а также цепи оператнвноrо тока (питания и отключения) и
друrие вспомоrательные устройства.
14
15
JJикадий по релейной защите, выполняемой на электромеханнческой
элементной базе. I< ннм, В частностн, относнтся книrа под редакцией
немецкоrо электротехннка Р. Рюденберrа. перевод которой на русскнй
язык был выпущен в 1930 r. B30 x rодах была опубликована на ту
же тему более rлубокая по содержанию книrа под редацней М. Шлей-
хера, напнсанная с участнем Нейrебауера.
В 1923 1928 rr. появляются первые попыткн по использованню
для защиты электроникн, в частности токов ВЫСОКОй частоты, переда
ваемых по проводам защищаемых лнний. В 1932 r. появнлась работа
известноrо французскоrо электротехника Фаллю по распространеиию
высокочастотной энерrни по линиям электропередачн и описаине за
щиты с наложеннымн иа линню токам н высокой частоты. В 1934 r.
былн опублнкованы результаты разработок на электронных лампах
реле разлнчноrо назначення (R. Widero1). В этн же rоды в Советском
Союзе была разработана на электронных лампах дистаНЦнониаи за
щита. Однако на практнке онн распростраиения не получили; единст-
веиным, вероятно, нсключением было миоrолетиее использование лам
повых прнемопередатчнков в каналах для передачи высокочастотных
сиrналов по пр6водам защнщаемых линий для осуществления быстро-
действующнх защит.
Более перспективным оказалось применеиие полупроводников
(меднозакнсных н селеновых выпрямнтелей), начатое также еще в 30-е
rоды для выполнения реле, работающих на выпрямленных токах. Даль-
нейшее развнтие это направлеине получило в коице 40 x rодов, коrда
стало возможным прнменение rерманиевых и кремниевых диодов и
транзисторов. В ПОCJIедующие rоды в Советском Союзе и за рубежом
разрабатывалнсь н выполнялись с использованием полупроводников
как отдельные бесконтактиые реле н устройства, так и защиты в цe
лом. Опыт выполнения и эксплуатацин такнх защит иесмотря на ряд
возннкающих трудностей оказался безусловно положительным. Однако
надежды, возлаrавшиеся иа полупроводниковые защиты по потребляе-
мым мощностям и связанным с ннмн чувствительностям. оправдались
не полностью. Выявнлась также их относительно невысокая надеж-
иость, обусловленная недостаточной стабильностью параметров и иа-
лнчнем весьма большоrо количества внешиих соединений между OT
дельными функциоиальнымн элементамн защнты.
Положение с применением для защиты полупроводниковой эле
ментной базы существенио изменилось в 60 e rоды после разработки и
начавшеrося внедрения в разные областн интеrральной мнкроэлектро-
ники со все возрастающей степенью ннтеrрацни, коrда в одном кри-
сталле удается «упаковывать» очень большое чнсло микроэлементов
(резисторов, кондеисаторов, триодов и т. д.). Поэтому в настоящее
время как у нас, так и за рубежом разработаны и начинают ши
роко внедряться защиты, использующие микроэлектронную элемент
16
ную базу. Такие защиты с прнмененнем средств диаrностнки об-
ладают высокой надежностью и потребляют небольшне мощиости от
траисформаторов тока и напряжения. Практнческн этн мощности опре-
деляются только потерями в соединительных проводах между измери
тельными преобразователями н устройствами защиты н в устройствах
сопряжения между ними. В связи с этим актуальными являются вопро-
сы нспользоваиия новых, более облеrченных исполнений измерительных
преобразователей с передачей информацин от них к устройстваы за
щиты по каналам с малыми потерями мощности, обладающим хорошей
помехозащищенностью.
Применяемые в настоящее время устройства защиты на микро
электронной элементной базе обычио осуществляются с использованием
полупроводниковых аналоrовых операциоиных усилителей н лоrических
элементов. ВОЗМОЖНЫ также выполнения защит на цифровой Микро-
электронной базе.
Отдельно следует остановиться на ВОЗМОЖИОстях использования
для осуществления реле и защит в целом нелинейных свойств ферро-
MarHHTHblx сердечннков.
В нашей стране во ВНИИЭ (И. Н. Попов) н за рубежом был раз
работан ряд устройств релейиой защиты на базе маrнитных усилите.1ей.
Одиако развитие полупровОдниковой техники сделало их в общем случае
неконкурентоспособными из за большой инерционности и существенно
худших массоrабаритных пара метров. Необходнмо, однако, отметить,
что в Советском Союзе в 50-е rоды в НПИ (А. Д. Дроздов и др.) на
базе теории цепей с ферромаrнитнымн сердечииками были разработаны
достаточио простые реле с подмаrничиванием переменным ТОком про-
мышленной частоты. Такие реле получили реализацию в основноы для
осуществления дифференциальиых токовых защнт электрических машин
(трансформаторов, reHepaTopOB) и в различных модификациях исполь
зуются на практике до сих пор.
В настоящее время в разиых областях начинает получать широкое
примеиение микропроцессорная техника, в основе которой находятся
микропроцессоры. Это перспективное направление начинает применять-
ся и для осуществления релейной защнты, которая реалнзуется, как
указывалось выше, уже не с помощью реле, а в внде проrрамм, закла-
дываемых в память микроЭВМ или микропроцессорных систем.
Принципиально представлялосЬi бы весьма целесообразным такое
выполнение защит от повреждений, при котором они моrли бы не толь
ко фиксировать происшедшее повреждение, но и выявлять намечающе-
еся. Практически в большинстве случаев вЫполнять таКИе защиты за-
трудиительио или даже невозможно (иапример, защиту от I<З, проис-
шеДШеrо вследствие rрозоВоrо разряда). I< этому, одиако, необходимо
стремиться.
Обычио для действин защит используют токн н напряжения про
2 855
17
мышленной частоты защищаемых элементов. Иноrда, однако, оказы
вается целесообразным прнменять электрические величины волновых
процессов, rармоннческне, колебательные (знакопеременные) и аперио-
дические составляющие переходноrо режима, а также наложенные токи
повышенной, поннженной частоты н наложенный постоянный ток. Так,
например, для осуществления защиты линий сверхвысоких напряжений
QT КЗ в разработках ЭНИН используются электрические величины
при волновых процессах, .возннкающих в момент появления
повреждення [59]. I
Отечественная техника релейной защиты практическн начала раз-
внваться только после Октябрьской революции при претворении в
жизнь плаиа rоэлро.
Основными научно-исследовательскими центрами в 30-е rодЫ были
лаборатория высокнх напряженнй им. А. А. Смурова, СРЗиУ ТЭП,
ХЭМЗ, оРrРэс и крупнейшие энерrетические системы Мосэнерrо,
Ленэнерrо, Уралэнерrо и др. Начали актиВно включаться в работу и ка-
федры втузов ТПИ, НПИ, ЛЭТИ, ЛПИ, МЭИ н др.
Лабораторней им. А. А. Смурова под руководством В. И. Иванова
и П. И. Рыжова проводились разносторонние исследования и разработ-
ки. Особо следует отметить работы по переходным процессам в цепях
защит. по защитам reHepaTopoB и высокочастотным защитам линий вы-
COKoro напряжения (Е. А. Карпович и др.).
Большая работа по созданию схем защит и разработке методов
расчета их пара метров, а также по их типизации проводится СРЗиУ
ТЭП, начавшнм с начала 30-х rодов систематическую разработку, а с
1932 r. н выпуск отдельными разделами «Руководящих указаний по
релейной защнте» (РУ) под руководством Л. Е. Соловьева, обеспечив-
шеrо их высокое научное качество и авторнтет. Необходимо отметить,
что уже первые разделы РУ давали более конкретные указания по вы-
бору и проектированию релейной защиты, чем зарубежные работы
аналоrИЧНОrо типа. После Л. Е. Соловьева эта работа в течение мноrих
лет возrлавлялась А. Б. Черниным. Необходнмо отметить, что А. Б. Чер-
ниным или под ero руководством был выполнен также ряд исследова-
ний по расчетам электромаrнитных переходных процессов и были со-
ставлены 'два раздела руководящих указанИЙ по ним.
Электроцехом оРrрэс, созданным в 1933 r., разрабатывались ме.
тоды испытаний реле и защнт, проводились исследования машинноrо
оборудовання прн ненормальных режнмах работы, осуществлялись на-
ладка и включение в работу релейных защит на новых электростанци-
ях. Большое значенне имелн при это).! начатые в СРЗиУ ТЭП работы
И. А. Сыромятникова, впоследствии крупнейшеrо электроэнерrетика,
по режимам работы двиrателей н их защите, давшие возможность ко-
ренным образом повысить надежность работы собственных нужд элект-
ростанций и потребите.1ей.
18
На ХЭМЗ коллектнвом под руководством Ф. А. Ступеля осущест-
влялось конструированне и производство мноrочисленных новых типов
реле и защит.
Персоналом служб релейиой защнты электроэнерrетическнх систем
проводилась большая работа по внедрению новых защит, реконструк-
циИ существующих, повышению уровня их эксплуатацин н созданию
новых устройств.
К рассматриваемому периоду относится также появлеиие мноrих
ориrннальных обобщающих трудов советскнх авторов по вопросам за-
щнты, первым из которых является книrа В. И. Иванова (1932 r.).
Первая специальная KHHra о реле защиты была выпущена в 1941 r.
Ф. А. Ступеле1\1. Важными для теории релейной защиты явились труды
Н. Н. Щедрина и Н. Ф. Марrолина по исследованию переходных элект-
ромаrНИТНЫХ процессов в электрическнх системах.
В rоДЫ Великой Отечественной войны советские релейщики в
нсключительно тяжелых условнях неустанно работали по совершенство-
ванию защиты и повышению уровня ее эксплуатации. Большое значе-
ние в этих направлениях имели работы И. И. Соловьева и возrлавляв-
шеrося нм коллектива релейщиков Мосэнерrо. И. И. Соловьев, плодо-
творно работая и далее в области релейной защиты, сыrрал также
большую роль в разработке вопросов автоматизацин систем и в вос-
питаиии кадров молодых спецналистов.
Послевоенные rоды характеризуются даJIьнейшнм быстрым разви-
тнем техники релейной защиты, ставшнм возможным блаrодаря дея-
тельностн орrанизаций как вновь созданных (ЧЭАЗ, ВНИИЭ, ВНИИР),
так и работавших в рассматриваемом направлении ранее (Техуправле-
ние Минэнерrо, СРЗиУ ТЭП, ИЭД АН УССР ЭНИН О Р rРэс
, , , энерre-
тическне системы Мосэиерrо, Ленэнерrо, Челябэнерrо, Днепроэнерrо
и др. и высшие учебные заведения НПИ МЭИ РПИ УПИ ЛПИ
ТПИ и др.). ' , , , . '
Серьезным испытаннем для советских релейщиков ЯВИJJОСь в этот
период создание новых орнrинальных защнт для сооружавшихся элект-
ропередач 400 500 кВ. С этой сложиой задачей онн успешно справи-
лнсь. Особо в решении этой проблемы следует отметить роль СРЗиУ
ТЭП (В. М. Ермоленко, С. Я. Петров и др.), ВНИИЭ (М. И. Ца-
eB, Е. Д. Сапир н др.), ЧЭА3 (А. В. Буйлов, А. М. Бреслер,
. Ф. Эдельштейн и др.) и служб эксплуатации (Н. В. Черноброво в
н др.).
К этому периоду относится также опубликоваиие ряда обобщаю-
щих трудов [. И. Атабекова, В. Л. Фабриканта, А. Б. Чериина
А. Д. Дроздова, И. М. Сироты и др. [1 8]. [. И. Атабеков был ОДНИ1\;
из первых, кто добнвался быстрейшеrо внедрення полупроводников в
отечественную техннку релейной защнты.
В наступивший период значительно возросла по сравнению с до-
2*
19
военным уровнем роль коллективов высших учебных заведеннй в раз-
работке новых вопросов техники релейной защиты.
Так, например, в НПИ под руководством А. д. Дроздова образо-
вался сильный коллектив (В. В. Платонов, А. С. 3асыпкин, Э. В. Под-
rорный и др.), разрабатывавший вопросы создания устройств на базе
теории цепей с ферромаrнитными сердечникамн н исследовавший рабо-
ту электромаrнитных трансформаторов тока н на ряжения в переход-
ных режимах, поведение защит прн бросках тока намаrничивания си-
ловых трансформаторов, защит., последних н некоторые друrие. В РПИ
была создана проблемная лаборатория по использованию полупровод-
ников в технИКе релейной защиты, которая под руководством
В. л. Фабрцканта, ранее работавшеrо в СРЗиУ ТЭП, выполняла ряд
ПОлезных исследований и разработок совместно с кафедрой автомати-
знрованных электрнческих систем Toro же института (А. С. Саухатас,
л. А. Орехов, Л. Б. Паперно н др.). Необходимо отметить большой
вклад В. Л. Фабриканта в создание как законченной теорни построения
измерительных opraHoB релейной защиты применительно к вЫполиению
орrаиов на электромеханической элементной базе [3], так и теории,
охватывающей ряд важных вопросов осуществления opraHoB на полу-
проводниковой базе [4]. В. Л. Фабрикантом создаиа также общая тео-
рия построеиия пассивных фильтров симметричиых составляющих [5].
В УПИ под руководством В. Е. Полякова проводились полезные иссле-
дования и разработки по примеиению аппарата математической лоrики
в технике релейной защиты. На кафедре Р3иА МЭИ разрабатывались
вопросы защиты лииий электропередачи постоянноrо тока BbIcoKoro и
cBepxBbIcoKoro напряжений под руководством В. М. Мараичака
(В. Н. Новелла и др.), защиты линий переменноrо тока BbIcoKoro и
cBepxBbIcoKoro напряжений (В. [. Дороrунцев и др.), принципы постро-
ения защит с ТА и ТУ на цифровой базе (В. Е. к.азанский, Я. Л. Арци-
шеВCJ<ИЙ). В ЛПИ под руководством [. М. Павлова (В. к.. Ванин и др.)
начали развертываться работы по использованию для защиты элемен-
тов диалоrовой вычИслительной техиики. В иэд АН Украины (И. М. Си-
рота, Б. :. Стоrний) Проводятси разработки ориrииальиых защит от
замыкании иа землю в reHepaTopax и сетях, новых типов ТА с разрез-
ными сердечниками.
В посЛедние rоды науЧно-исследовательская деятельность в области
релейной защиты у нас сосредоточена в основном во ВНИИЭ ВНИИР
ЭСП, НПИ, МЭИ, РПИ, ИЭД АН УССР, УПИ, ЛПИ, БПИ, ЭНИН:
к.оми филиала АН РФ, НЭТИ, ИЭИ, ТПИ, ЧЭАЗ, ряде друrих вузов
я орrанизаций (например, в Тяжпромэлектропроекте, Союзтехэнерrо) и
в некоторых энерrетических системах. При этом следует особо подчерк-
нуть высокую квалификацию и творческую инициативу работников экс-
плуатации, которые под Р}lКОВОДСТВОМ ЦДУ ЕЭС СССР и rлавноrо на-
учно-техническоrо управления Мииэиерrо миоrо сделали для повыше-
20
ния уровня техники релейной защиты. В связн с этим следует отме-
тить большую творческую работу коллектнва лабораторин релейноЙ
защиты ВНИИЭ, ивляющейся rоловной научной орrаннзацией rлавно-
1'0 научно-техническоrо управления Минэнерrо.
Завершаются исследования и разработки защит на интеrраль-
ной мнкроэлектронной элементной базе и промышленностью (ЧЭА3)
начат серийный выпуск этих защит в шнрокой номенклатуре. Развер-
нуты начатые MHoro раньше перспективные работы по созданию и вве-
дению в опытную эксплуатацию проrраммных защнт с использованием
микропроцессорной техники в МЭИ, ВНИИЭ, к.оми фнлиале АН РФ,
ИЭД АН Укранны (соответственно под руководством В. П. Морозкина,
Я. С. rельфанда, Н. А. Манова, Б. С. Стоrния), БПИ (В. Н. Новаш) и
друrих орrанизациях.
Большие н сложные задачи перед релейщиками были поставлены
при проектированни, сооружении и введении в эксплуатацию линий
электропередачи cBepxBblcoKoro и ультравысокоrо напряжений. Эти
задачи при определяющем участин ЭСП, ВНИИР, ВНИИЭ и ЦДУ
ЕЭС были успешио решеиы. При этом следует особо отметить об-
разование за последние десятилетия во ВНИИР весьма сильноrо кол-
лектива релейщиков (Ю. Н. Алимов, [. С. Нудельмаи, Э. М. Шиеерсон
и др.) и способиость ВНИИР совместно с ЧЭА3 решать весьма слож-
ные вопросы релестроеиия. Был также опубликован ряд обобщающих
работ [8, 17, 44, 48, 51 и некоторые друrие] советских авторов.
Необходимо отметить, что техиика релейной защиты за последние
десятилетия интенсивно развивалась и за рубежом, особенно в США,
Японии, Франции, Анrлии и ФРr, причем выпускаемая в этих странах
аппаратура обычно отличается высокими технолоrической отработкой
и надежностью. Опубликовано большое число научно-технических тру-
дов, преимуществеино в периоднческих изданиях, в частности фирмен-
ных. ИЗ обобщающих трудов прошлых лет в первую очередь должны
быть названы книrи Варринrтона (Великобритания) и Нейrебауера
(rермания) [18, 19], а также Цидановича (Польша) [50], к.леменца
и Роте (б. r ДР) [35].
Вопросы для самопроверки
1. к.то изобрел систему трехфазноrо тока?
2. Сформулируйте назиачение релейной защиты.
3. к.акие основные элементные базы используются в технике релей-
ной защиты?
4. Объясните термии «реле».
функционировать. Ero функции заключаются как в сраба
7ывании при внутренних повреждениях, так и в несрабаты-
дании в случаях внешних повреждений, а также в несраба-
тывании в нормальных и ненормальных режимах работы
электрической системы при отсутствии в ней повреждений.
Внутренним обычно является К3 в защищаемом Э.1ементе
системы участКе линии сети, трансформаторе, reHepaTope
и т. д. В некоторых, однако, случаях к внутренним может
'относиться более широкий Kpyr К3, охватывающий повреж
дения и на смежных с защищаемым элементах; так, напри
мер, к защите может быть предъявлено требование сраба
тывать при К3 на смежном элементе в случае отказа
защиты или выключателя последнеrо. По выполняе-
мым функциям защиты делятся на основные u pe
зервные.
Основной называется защита, предназначенная для ра-
боты при всех или части видов К3 (например, только при
мноrофазных К3) в пределах Bcero защищаемоrо э.1емента
(например, 100 % длины линии) со временем, меньшим,
чем у друrих установленных защит.
Резервной называется защита, предусматриваемая для
работы вместо основной данноrо элемента в случаях ее от-
каза или вывода из работы (ближнее резервирование), а
"Также вместо защит смежных элементов при их отказе иш!
в случаях отказов выключателей смежных элементов (даль-
ilee резервирование).
Необходимо также отметить, что выше было приведено
"Только разделение функций на три рода. Перечень же кон.
кретных функций рассматривается при выполнении отдель
ных устройств защиты, причем для идеальной защиты он
'Охватывает все К3 и все режимы без К3, являясь предель-
ным, а для pea.ТIЬHЫX защит часто бывает и меньше предель
Horo. При этом имеются повреждения и режимы, не OXBa
тываемые заданным перечнем функций, которые MorYT
<>бусловливать допущенные срабатывания и несрабатыва
ния, относимые к допущенным заданием (например, сраба
тывания при качаниях ввиду отсутствия специальной
блокировки, не предусмотренной для упрощения за-
щиты) .
Выполнение заданных функций в процессе эксплуатации
защиты может иноrда срываться, например, вследствие по
rрешностей opraHoB защиты, выхода из строя ее элементов,
т. е. имеют место отказы функционирования защиты. Отка-
зы делятся на отказы срабатывания при требуемом сраба-
rлава первая
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕЛЕйНОй ЗАЩИТЫ
1.1. функции РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИй
И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЕЕ СВОЙСТВАМ
Релейная защита. от К3 обычно выпОлняется в виде aB
TO OMHЫX устройств, включаемьtх на элементах электричес
кои системы, реаrирующих на К3 в заданных зонах и дей
ствующих на выключатели этих элементов (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Автономные основные защиты элемеитов системы:
1, 2, 3, 4 цепей линии АВ; 5 линии ВВ и шии В; 6 лииии ВТ; 7 трансфор-
матора В; 8, 9 блоков А; 10, 11 секций шин А; 12, 13 секций шин В
Совокупность указанных зон должна охватывать всю
защищаемую систему, с тем чтобы ни одна ее точка не ока-
зывалась незащищенной (например, соединения между
трансформаторами тока и выключателями, втулки послед-
них и т. д.). Включенный в работу (обычно обслуживаю-
щим персоналом) комплект релейной защиты начинает
22
23
тывании, излишние срабатывания при повреждениях с тре-
бованием несрабатывания и ложные срабатывания при от-
сутствии повреждения в системе.
Достаточно полноценное функционирование защиты
обеспечивается тем, что ей придаются определенные свой-
ства. До последнеrо времени широкое распространение име-
ют понятия, характеризующие свойства, определяемые еле-
ду щ ми четырьмя требованиями, предъявляемыми к ре-
леинои защите от К3 [1]: селективностью, быстродействи-
е.и, чувствительностью и надежностью. Все эти требования
П.1ЮС учет экономических факторов при правильном их по-
нимании ЯВляются обоснованными. Однако, как показыва-
ет рассм отрение [20,21], они не охватывают всех необходи-
мых своиств, находятся на разных уровнях активности и по-
этому были уточнены.
Свойства защиты находятся в сложной зависимости друr
от дpy a. Поэтому полезно классифицировать их с разных
позиции. При этом целесообразно использование введенно-
ro И. А. Ушаковым понятия эффективности функционирова-
ния, под которой можно понимать свойство Выполнять пре-
дельное число функций каждую с предельным эффектом.
О предельном числе функций rоворилось выше. Эффект
выполнения функции применительно к релейной защите
снижается, например, из-за конечноrо времени ее срабаты-
вания. Очевидно, что только идеализированной защите мож-
но приписать 100 % -ную эффективность функционирования.
Отказы в функционировании и допущенные срабатывания
инесрабатывания Приводят к тому, что реальный выходной
эффект ниже предельноro, свойствен:ноro идеализированной
з щите.
Одним и способов классификации может служить раз-
деление своиств в соответствии с эффективностью: сраба-
тывания при внутренних кз; несрабатывания при внешних
К3; несрабатывания в режимах без К3. Друrим подходом
к классификации свойств защиты, сочетающимся с первым.
может служить выделение трех следующих общих причин
снижения выходноrо эффекта защиты:
оrраниченности числа заданных функций (выражается
в допущенных срабатываниях и несрабатываниях) и за-
данноrо эффекта срабатывания;
поrрешностей функционирования, понимаемых более
широко, чем только поrрешности отдельных параметров за-
щиты (поrрешности функционирования, например, из-за
большоrо переходноrо сопротивления в r.recTe повреждения.
24
неблаrоприятноrо состава входных воздействующих вели-
чин в переходном процессе и т. п.) ;
отказов, выходов из строя элементов защиты (проявля-
ютСЯ в отказах функционирования из-за полной или частич-
ной утраты заданных свойств).
Каждая из трех перечисленных общих причин является
проявлением неполноты соответствующеrо свойства. Пер-
вое, высшее по активности (высший уровень) из этих
свойств представляет собой селективнОсть защиты, Второе,
среднеrо уровня, может быть названо устойчивостью ФУНК-
ционирования и, наконец, третье, низшеrо уровня, пред-
ставляет собой надежность функционирования. Свойства
высшеrо и среднеrо уровней образуют техническое совер-
шенство защиты.
Сочетание первоrо и BToporo подходов к классифика-
ции, использованное при составлении табл. 1.1 [20.21], дает
достаточно полное представление об основных свойствах
защитЫ.
Эффективность функционирования обеспечивается все-
ми указанными в таблице СВОЙСтвами совместно, причем
определить свойство данноrо уровня принципиально можно
только, зная полноту СВОЙСтв более BbIcoKoro уровня, в
предположении идеальности СВОЙСтв более низкоrо уровня.
Так, техническое совершенство определяется при идеаль-
ной надежности. С друrой стороны, надежность оценивает-
ся не при идеальном, а при заданном техническом совер-
шенстве (по данному ниже ее определению).
rлавными особенностями рассматриваемой системати-
зации основных свойств релейной защиты являются раз-
rраничение понятий техническоrо совершенства и надеж-
ности и разделение техническоrо совершенства в свою оче-
редь на два уровня СВОЙСтв селективность и устойчивость
функционирования.
Определения свойств даны для защит от К3 на одном
элементе. Применительно к релейной защите системы этот
вопрос усложняется, в особенности Коrда наиболее тяжелые
аварии, связанные с отказом функционирования защиты,
носят [22] «цепочечный характер» и исход аварии зависит
от совершенства мноrих аппаратов и друrих факторов, а
не тоЛЬко защит поврежденноrо элемента.
Следует отметить, что в табл. 1.1 приведены не все, а
только основные СВОЙСтва защиты, которЫе в свою очередь
обеспечиваются рядом друrих свойств. Так, например, в ус-
тойчивость функционирования входят точность работы ап-
25
Эффективность
Общ ие иаз[ 8ННЯ свойств
Срабатыванне прн внутревннх I<З
Селективность срабатывания при,
внутренних К3
Селективность "
за Щ ИТОСПОСОб-IБыст р ота срабаты-
ность вания
Техническое со-
вершенство Устойчивость срабатывания
Устойчнвость
функционирова- Чувствитель- Устойчивость бы-
иня ность К К3 строты срабатыва-
ния
Надежность функционирования I Надежность срабатывания прн
внутренних К3
паратуры, помехостойкость, в надежность безотказность,
долrовечность, ремонтоприrодность. В связи с этим, а TaK
же и с друrими причинами целесообразно дальнейшее уточ
нение некоторых вопросов.
Селективность. Селективностью называется высшее свой
ство защиты, обеспечивающее эффективное отключение
только поврежденноrо элемента системы при К3 ero BЫ
ключателями. Оно дает ВОЗМОЖность при наличии резерви
рования питания потребителей исключать перерывы в их
электроснабжении. Так, например, в случае К3 на одной
из параллельных линий (рис. 1.1), связывающих подстан
ции А и Б (точка /(,), селективно действующая защита
vчастков линий отключает комплектами 1 и 2 только BЫ
ключатели 1 и 2 поврежденной цепи и питание подстанции
Б сохраняется по второй неповрежденной цепи. Свойство
сеv'Iективности не исключает возможности срабатывания за
щит как резервных в случаях отказа защит или выключа-
телей смежных элементов. Так, например, при К3 на участ
ке ВТ (точка /(2) и отказе ero защиты или выключателя 6
обычно как резервная срабатывает защита участка БВ, от-
ключая выключатель 5. При этом хотя и отключается непо-
врежденный участок БВ, но число подстанций, оставшихся
без питания, оrраничивается только двумя (В и Т).
26
Таблица 1.1
функцнонирования
Несра6атывание при внешннх I(З
Несрабатыванне бе 3 I(З
Селектнвность - несрабатывания
при внешних К3
Селективность несрабатывания
без К3
Устойчивость несрабатывания при
внешних К3 (отстроенность при
внешннх К3)
Устойчивость несрабатывания
без К3 (отстроенность без К3)
Надежность несрабатывания при I Надежность
внешних К3 без К3
несрабатывания
Селективность срабатывания устройства защиты при
внутренних К3 характеризуется ero защитоспособностью и
быстротой срабатывания.
3 а щ и т о с п о с о б н о с т ь свойство защищать (без
учет:а резервноrо действия) весь элемент при всех учиты-
ваемых видах металлических К3. Для линий, как правило,
требуется защищать всю длину участка. Для машин и ап-
паратов иноr да вынужденно отступают от u этоrо требова-
ния, допуская, например, наличие некоторои доли незащи-
щенных витков обмоток.
Б ы с т р о т а с р а б а т ы в а н и я является весьма важ-
ным свойством защиты при ее срабатывании в случаях
внутренних К3. Это определяется тем, что ускорение от-
ключения К3:
повышает устойчивость параллельной работы машин в
'Системе и дает возможность увеличивать пропускную спо-
собность электропередач;
уменьшает влияние понижения напряжения на работу
потребителей;
уменьшает размеры разрушения поврежденноrо элемен-
та. что особенно существенно для мощных, дороrостоящих
reHepaTopoB и трансформаторов;
снижает вероятность перехода к более тяжелому виду
27
1\З, сопровождаемому увеличением тОК'а К3 и уменьшением
напряжения в сети;
повышает эффективность автоматическоrо повторноrо
включения;
может предотвращать возникновение недопустимых
внутреннИх перенапряжений на электропередачах CBepXBЫ
соких напряжений.
Приведенные соображения показывают, насколько важ
но быстрое отключение КЗ в системе.
Время отключения повреждения t складывается из Bpe
мени срабатывания защиты t з и выключателя t B :
t==tз+t в , (1.1)
в системах сверхвысоких напряжений иноrда требует
ся иметь t-<0,06+0,08 с. При, например, tB 0,05 с на дo
.'Jю релейной защиты в этих случаях остается t,===0,02+
+0,04 с; MorYT быть целесообразны и меньшие t" что при
современной технике достижимо. В друrих, менее тяжелых
\"-случаях по технико-экономическим соображениям допусти-
мо использовать защиты с б6льшими временами t з . Боль-
шое значение имеет также быстрый возврат защит линий,
необходимый для обеспечения их rотовности к срабатыва-
нию в случае вновь возникшеrо повреждения.
В соответствии с указанным выше и табл. 1.1 рассмат-
риваются также селективности несрабатывания при внеш
них К3 и в режимах без К3.
Защиты, которые по принципу действия MorYT срабаты
вать в качестве резервных при КЗ на смежных элементах с
учетом селективности только при внешних КЗ, называются
относителыlO селективнbt,ИИ. С абсолютной селективностью
при такой классификации оказываются защиты, которые
принципиально MorYT срабатывать только в случаях КЗ на
защищаемом элементе. Защиты с относительной селектИв
ноС1ью в общем случае должны выполняться с выдержка-
ми времени. Защиты с абсолютной селективностью выпол
няются без выдержек времени.
Необходимо отметить, что на практике селективность
часто понималась в более узком смысле только как ce
.лективность несрабатывания при внешних КЗ.
Отличительной чертой свойства селективности по срав-
нению с устойчивостью функционирования и надежностью
является возможность ero 100 % ной полноты У реальных
устройств.
Устойчивость функционирования. При внешних 1\З и pe
28
жимах без К3 она определяется устойчивостью несрабаты-
ия кото р ая может также рассматриваться как соответ-
ваН , u У ве
ствующая отстроенность от воздеиетвующих на защит -
личин. . ,
q у в с т в и т е л ь н о с т ь характ ризует устоичивость
с абатывания при КЗ в защищаемои зоне. Удовлетворение
тРебований чувствительности в современных электри;еских
C CTeMax часто встречает ряд серьезных затруднении. !ак,
например, при передаче по линиям больших мощностеи на
значительные раестояния токи КЗ в защите пр учете воз
можных минимальных режимов работы станции и повреж
денИй через значительные переходные сопротивления MorYT
быть соизмеримы с максимальными рабочими токами или
даже меньше их. Это приводит К невозможности применения
в таКИХ случаях наиболее простых защит, реаrирующих на
ток в месте включения защиты, и заставляет переходить на
значительио более сложные и дороrие типы защитных уст-
ройств. С учетом опыта эксплуатации и уровня техники к
защитам предъявляются определенные минимально необ
ходимые требования в отношении чувствительности.
Чувствительность защит обычно оценивается их коэф-
фициентом чувствительности Кч. Для максимальных защит,
реаrирующих на величины, возрастающие в условиях по
вреждения (например, на ток), Кч определяется отношени-
ем минимальноrо значения входной воздействующей величи-
ны (тока) при металлическом КЗ в защищаемой зоие к ус-
тановленному на защите параметру срабатывания (соот-
ветственно току срабатывания). Для минимальных защит,
реаrирующих на величины, уменьшающиеся в условиях по-
вреждения (например, на полное напряжение), Кч опреде
ляется, наоборот, отношением установленноrо на защите
параметра срабатывания (соответственно напря ения pa-
батывания) к максимальному значению входнои воздеист
вующей величины (остаточноrо напряжения). Необходимые
минимальные k ч miп для различных защит и защищаемых
элементов реrламентированы ПУЭ, выпускавшимися Мин-
энерrо СССР и явJlяющимися обязательными для приме-
нения. Их значения, например, для максимальных токо-
вых защит линий часто определяются необходимостью
учета переходных сопротивлений в месте повреждения.
Устойчивость быстроты срабатывания
характеризуется стабильностью срабатывания защиты по
времени при внутреннИХ КЗ. Это понятие относится в oc
НОвном К защитам, работающим без выдерЖКИ времени (за-
29
щитам с абсолютной селективностью). При внутренних 1<.3
такие защиты MorYT работать с замедлением, например За
счет переходных процессов.
Надежность. В соответствии с терминолоrией [23] на-
дежность определяется как свойство объекта вЫполнять
заданные функции в заданном объеме при определенных
условиях эксплуатации. Под обьектом применительно к ре-
лейной защите можно tlOнимать как систему взаимодейст-
вующих устройств релейной защиты, так и отдельные ус-
тройства и их функциональные элементы. Ниже будут рас-
сматриваться вопросы надежности отдельных устройств
защиты и систем защиты. ПО общим вопросам надежности
опубликован ряд основополаrающих трудов, в том числе
отечественных [24 и др.]. Теория надежности опирается на
такую фундаментальную дисциплину, как теория вероятно-
стей. Величины, с которыми приходится иметь дело при
рассмотрении вопросов надежности релейной защиты, час-
то являются случайными. Под случайной понимается вели-
чина, которая в результате «опыта» может принимать одно
из своих возможных значений, заранее неизвестное. Случай-
ной величиной, например, является рассматриваемое ниже
время наработки защиты до отказа. Применение теории иа-
дежности в различных областях техники требует учета ря-
да их особенностей, в частности в технике релейной защи-
ты; при этом по возможности используются термины и оп-
ределения [23].
Надежность является комплексным свойством объекта.
Единичными основными ero свойствами являются: безотказ-
ность непрерывное сохранение работоспособности, долzо-
вечность, ремонтоnриёодность и некоторые друrие.
Следует нметь в внду, что отказы срабатывания, излишние сраба-
тывания и ,10жные срабатывания возможны не только из-за неполноты
надежности, но также из-за техннческоrо несовершенства. (Напрнмер,
отказ срабатывания из-за недостаточной чувствительности вследствие
большоrо переходноrо сопротивления в месте КЗ.)
В общем случае возможно выделение элементов, объектов н систем,
.разлнчающихся показателями и методамн оценки их надежности: не-
восстанавливаемые, прнменяемые до nepBoro отказа, н восстанавливае-
мые в процессе применения, для которых недопустнмы нли кратковре-
менно допустимы перерывы в работе. Системы устройств релейной за-
щнты какоrо-либо работающеrо элемента электрической системы,
например линии, относятся ко второй rpynne. Однако и отдельные уст-
ройства защиты обычно относят также к этой rpynne.
:30
Однако, например, при испытаннях на иадежность с це,lЬЮ контро-
изд елий в заводских условиях отказавшие экземпляры мо-
ля качества
r т ие восстанавливаться.
у Для оценкн иадежности невосстанавливаемых объектов используют
остн ые ха р актеристики случайной величины Т среднеrо вре-
вероЯТН б б
ар аботки до отказа (математнческоrо ожидання нара откн о ъ-
мени н
nep Boro отказа). Оиа может быть описана с помощью широко-
екта до б
че ты р ех показателей надежности невосстанавлнваемых о ъ-
известНЫХ
ектОВ [например, 24]: вероятности безотказной работы на определен-
ном ннтервале времени, вероятности отказа на этом же интервале вре-
менИ, плотности распределения вероятности времени до отказа и ин-
тенсивНОСТИ отказа.
Значительно более .ложной является оценка надежности восста-
навливаемых объектов, в том чнсле релейной защнты.
Применительно к отдельным устройствам защиты первыми, учнты-
вающиМИ специфику нх функционирования, следует считать работы,.
выполненные Э. П. Смирновым [25, 26]. В ннх, В частности, учтена.
кроме рассмотренных выше следующая особенность работы устройств .
Различаются отказы работоспособности и функционирования отказ,
даже полный, работоспособностн устройства может не приводить к не-.
медленному отказу ero функциоиироваиия, так как может проявляться
только прн возникновении КЗ в защищаемой зоне или вне ее; при этом:
время между отказом работоспособности н появлением требовання к
выполнению соответствующей функции может быть большим, и появ-
ляется воз южность восстановления ero работоспособности. Следует
подчеркиуть, что требовання срабатывания защиты при К3 в защищае-
ыой зоне и несрабатывания при К3 вне ее можно та,кже рассматривать
как cBoero рода проверкн.
Коэффициенты неrотовиости. За осиовные показателн наДежности.
одноrо устройства защиты в настоящее время приннмаются отдельные
коэффициенты нееотовности срабатывания qc инесрабатывания qис, а.
также параметр потока ложных срабатываний Шл.с. Под коэффициен-
том qc поннмается вероятность отказа срабатывания при одном требо-
ванин срабатывання, а под коэффициентом qис вероятность срабаты-
вания при одном требованни несрабатывания.
Прн определенни коэффициентов неrотовности н друrнх показате-
лей релейной защиты используются поток н однородных событий, пред-
стаВляющие случайный процесс, образованный совокупностью случай-
ных моментов времени возникновения этнх событий. К ним, например,
относятся потоки требований срабатываиня, моментов отказов работо-
СПособности и функциоиирования, ложных срабатываннй и т. д. Пара-
метрами потоков являются нх значения за достаточно малую единицу
ВреМеНи. Практнчески обычно используется их среднее значение за,
один rод.
3t
Наряду с такими потоками приходится учитывать наличие пото
ков событий, имеющих детерминироваиные (неслучайные) моменты вре-
мени появле ия событий. К ним отиосятся, например, реrулярные про
верки устроиств защиты, осуществляемые персоналом или специальны-
мн устройствами.
При наличии статистнческих данных обычно используются следу
ющие выражения для коэффициентов qc и qHC:
qc == U>O,C!U>T,C == fi3 0 ,с!(U>п,с + U>o,c) По,с!пт,с ==
== t!o,с !(пп,с + ПО,С); (1.2)
qHC == (J)п,с!U>т,нс == Пи.с!Пт,нс, (1.3)
rде U>o,c, U>T,C, U>n,c И U>H,C параметры потоков отказов срабатывания
требований срабатывания, правильных и излишних срабатываний COOT
ветственно; По,с, пт,с, Пп,с и Пи,с соответствующие им "числа отказов
срабатывання, требований срабатывания, правильных и излишних сра-
батываний.
Друrой вид получают коэффициенты qc и qHC при примеиеиии MaTe
матическоrо .аппарата марковсжнх случайных процессов, характеризуе
мых истемои уравненнй Колмоrорова (например, [16, 25]).
едя допущение о том, что поток реrулярных проверок является
случаи.ным (первое событне потока не фиксированно), и используя YKa
занныи аппарат, можно получнть следующее выражение для qc:
qc == U>B,H!(U>B,H + U>пр + U>T,C) , (1.4)
rде U>з,Н, U>пр И U>T,C параметры потоков возникиовения сосroяния He
работоспособности, проверок н требований срабатывання. Аналоrичным
образом, как и в первом случае, получается qис. Для оценки надежности
устройства защиты полученные коэффициенты q и параметр потока
ложных срабатываний следовало бы сравнивать с их нормированными
значениями. Предложенця по этому вопросу разработаны ЭСП [84].
Представляет также интерес предложенный Я. с. rельфандом ме-
тод .эквивалентных повреждений [9], ПОЗВОЛЯЮЩИй формулировать для
некоторых элемеитов электрических систем требования к надежности
их защиты и оценивающий взанмосвязь между их надежностями.
Необходимо отметить, что при сравнении вариантов выполнения
одноrо устройства между собой знание значений нормнрованных вели
чин может оказыватьСя и не обязательным
В [26] предложено использовать комп'лексный показатель ненадеж
ности для одноrо устройства, охватывающий одиовременно коэффици
енты qc, qис И пара метр U>д,с. За Hero принимается отношение взятых
в среднем потерь АФ и выходноrо эффекта устройства из-за ero отказов
функционироваиия и предельноrо идеализированноrо выходноrо эффек-
та Ф П Toro же устройства:
q == АФн/Ф п ,
( 1.5)
32
I1з (1.5) можио получить следующее окончательиое выражеиие для ком-
плексноrо коэффициента неrотовности:
q == qc + Шfнс + U>л,с, (1.6)
rде tt. и f} некоторые весовые коэффициенты.
Рассмотренный метод подхода iК определению q наряду с таким
достоинством, как комплексиость, имеет и ряд существенных оrраниче
ний. Наиболее важным из ннх является затруднительность определе-
ния правильНЫх значений ct и f}. Поэтому на практнке часто оrраничи
ваюТСЯ расчетом qc, q"c и U>д,с.
Указанные показателн разработаны для оценки надежности только
одноrо отдельноrо устройства защиТЫ.
Для характеристики надежности систем защит, а как частный слу-
чай и отдельных устройств, возможно исходить из условия, что как
их надежность, та.к и эффективность функционирования в целом ха-
рактеризуется потерямн выходноrо эффекта защищаемой системы. Ис
пользование TaKoro подхода впервые, по видимому, четко сформулиро-
вано Н. В. Вавиным [16, 27]. Некоторые соображения по этому методу
даны в rл. 15.
Выше рассматривались свойства защит от КЗ. Ряд этих свонств
относнтся И К защитам от ненормальных режимов работы и некоторых
видов повреждений, ДОПУСiкающих продолжение работы в течение оп-
ределенноrо времени. Прн этом, однако, следует учитывать специфиче
ские условия функционирования этих защИТ. Так, например, защИТЫ от
переrрузок элементов системы целесообразно выполнять с выдержками
временн. Защиты от однофазных замыканий на землю в системах с
НЗОJJированной нейтралью, работающие на сиrнал, допускается выпол
нять так, чтобы онн определяли толь,ко цепочку элементов системы, на
которых произошло повреждение, и т. д.
Оцеика техиическоrо совершеиства, иадежиости и эффективности
фуикциоиироваиия защит. Как видно из приведенноrо выше рассмот-
рения характеристик технич:ескоrо совершенства и НадежностИ, методы
их оценок, а также, оч:евидно, и средства по обеспечению иеобходимоrо
их уровнн различ:ны. Необходимо также иметь в виду сложность взаи
моотношеннй между этими двумя свойствами повышение уровня
одноrо из них может приводить к понижению уровня друrоrо: напри
мер повышение чувствнтельности защиТЫ может привести к такому ее
усложнению, прн котором надежность снизится. Однако ее выходной
технический эффект, как и эффективность функционирования, будет
определяться в первом приближении чнслом правильнЫх, излишних и
ложных срабатываний. При этом иноrда трудно даже ч:етко классифи
цировать, какое из свонств приводит К излишним ИЛИ ложным сраба-
тываниям. Поэтому на практике иноrда нспользуются обобщенные ста-
тистнческие показатели тольКО эффективностн функционирования.
3 855
33
Оценка правнльных, действнй. Для оценки функционирования ре-
лейной защиты как в зарубежной, так и в отечествениой практике Ис-
пользуется обобщениый усредиенный статистический показзтель 11 ее
работы, иазываемый процеllТОМ правилыllхx действий. Он представляет
выражеииое в процентах отиошеиие числа прав ильных срабатываний
отдельных устройств защиты Пп,С (состоявшихся требовавшихся сраба-
тываиий) к сумме пп,С инеправильных срабатываиий пи,С (сумма чисе.'!
отказов по,с, излишних пи,С и ложных пл,С' срабатываиий):
11 == Пи,с .100 /(пп,с -+ Пн,с) == hи,c' 100 /(пи,с + nu,c + Пи,с+ Пл,с)' (1.7)
Этот показате.IIь в какой-тО мере отражает эффективность функцио-
нирования защиты, имеет в отечествеииых эиерrосистемах значения
миоrо лучшие, чем в ряде зарубежных систем, но по ряду причин в
недостаточной мере правильно ее оценнвает. Так, например, сумма
пи,с+Пл,с стоит в знамеиателе (1.7), хотя эти срабатывания наносят по-
тери, которые для получения выходноrо эффекта защиты следует вы-
читать из эффекта от требуемых срабатываиий.
По предложенню, сделанному еще в коице 60-х rодов [21, i!5],
рассматриваемый показатель может иметь следующую ,улучшенную
структуру:
1Jэф == [Пи,с (пи,с + пл,с)] .100/(П и ,с + па,с)' (1.8)
Приведенные выражения для '1') и 'l')эф записаны при пренебрежении
допущенными срабатываниями н несрабатываниями, чнсла которых со-
ответственно пд,С и пд,и.
Содержащаяся в приведеиных выражениях условиость неучет
различия потерь прн разных видах функционирования П0-ВИДНМОМУ,
иеизбежна при формировании npocToro укрупиеиноrо показателя, пред-
назначенноrо коитролировать уровень эффектнвности функциоиирования
больших количеств устройств защиты.
Применяются также показателн эффектнвностн функционирования
одиоrо устройства, называемые периодичностью тех или ииых ero дей-
ствий. Оии представляют собой средние времеиа между соответствую-
щими повториыми действиями, прнходящимися на одио устройство. Они
MorYT определяться также колнчеством устройств, деленным на число
их соответствующих действий в rод.
Общая эффективность и качество релейной защнты. В настоящее
время все возрастает потребиость в методах экономнческих обоснова-
ний решений по релейиой защнте.
Использованне, как нноrда предлаrалось, для оценкн общей эф-
фектнвностн защиты расчетиых затрат на осуществленне н эксплуата-
цию только самой защнты, включающих также потери из-за ее отказов
функциоиирования, считается в настоящее время неправомерtlЫМ. В ЭТGЙ
связи следует отметить работы, выполняемые в последнее время в ЭСП
34
I! дающие возможность более правильно подойти к решеиию вопросов
оценКИ общей эффективности ре.1Jейной защиты [84].
Как нзвестно, кроме эффективности важное значение нмеет каче-
ство продукции, выпускаемой про !ышлеиностью, в том числе, очевид-
но 11 устройств релейной защиты. Качество является обобщающим свой-
CT OM, характеризующим совершенство устройств релейной защиты.
существенными составляющими этоrо свойства являются техническое
совершенство и надежность.
1.2. прИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕйНОЙ ЗАЩИТЫ И НЕКОТОРЫЕ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СООТНОШЕНИЯ,
испоЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ
Общие вопросы выполнения защиты от 1(3. Способы вы-
полнения защиты от КЗ весьма разнообразны. Однако все
защиты выполняются обычно автономными устройствами с
использованием, как правило, токов и напряжений промыш-
ленной частоты защищаемых элементов сети.
ПО способам обеспечения селективности при внешних
КЗ они MorYT быть отнесены к двум основным rруппам (см.
1.1). В одну из них входят защиты, обладающие относн-
тельной селективностью, в друrую абсолютной селектнв'
ностью. Защиты с абсолютной селективностью работают
только при КЗ на защищаемом участке и поэтому обычно
выполняются без выдержки времени. Это является их боль-
шим достоинством. Защиты с относительной селективностью
MorYT работать при КЗ как на защищаемом участке, так,
в качестве резервных, и на смежных. Для обеспечения их
селективности при КЗ вне защищаемоrо участка они долж-
ны в таких случаях работать с временем, большим времен
срабатывания защит смежных элементов.
В некоторых случаях для обеспечения более быстроrо
отключения КЗ оказывается целесообразным снижать тре-
бования к селективности защит с относительной селектив-
ностью, допуская их срабатывание при КЗ на части смеж-
ных участков даже при исправности защит и выключателей
последних. Такие защиты называются неселеКТU8НblМU. Они
применяются обычно в сочетании с устройствами автомати-
ческоrо повторноrо включения (АПВ), исправляющими их
недостаточно совершенную работу. Так, например, несе-
лектиВные защиты иноrда используются на раднальных
линиях в распределительных сетях с односторонним пита-
нием, часто имеющих большое число последовательно рас-
положенных участков. Защиты с абсолютной селективно-
3*
35
стью не MorYT быть неселектнвными. По выполняемым
функциям защиты делятся на основные и резеРВНые
( 1.1). Наличие в сети резервных защит считается обяза-
тельным. Для выполнения функций дальнеrо резервирова-
ния защиты должны обладать относительной селективно
СтЬю.
В некоторых случаях используются таКЖе дополнитель-
ные защиты, выполняющие некоторые ВСпомоrатеЛЬНЫl
функции, например ускорение отключения К3 на часТЕ
участка, защиту «мертвых зон», определяемых направлен-
ными элементами основных и резервных защит, и т. д.
I K
и к
ZK
з
з
с)
б)
8)
Рис. 1.2. 3а!JИСИМОСТИ электрических величин от места металлическоrо
К3 (точка К)
Для повышения эффективности резервирования в сетях
высоких, сверхвысоких и ультравысоких напряжений преду-
сматриваются специальные устройства резервирования при
отказе выключателей УРОВ (см. rл. 15).
Защиты с относительной селективностью. К этой rруппе
относятся рассматриваемые ниже токовые, токовые направ-
леl'fНые и дистанционные защиты. Их селективность при
внешних К3 обеспечивается выбором выдержек времени
защиты и параметров срабатывания измерительных opra-
нов и контролем (если оказывается необходимым) направ-
ления мощноСти К3. НИЖе возможность TaKoro выбора оп-
ределяется на примере защиты линий законами изменений
токов, напряжений и знаков мощностей, характеризующи-
ми К3 в различных точках защищаемой сети (рис. 1.2).
Ток К3 l к , проходящий через устройства защиты, вклю-
ченные по концам защищаемых участков, тем меньше, чем
больше удалено место повреждения (точка К) от места
включения' защиты (точка З) (рис. 1.2, а), так как ero
значение уменьшается с увеличением сопротивлеН!IЯ пет-
ли КЗ. Это и дает возможность создавать токовые защиты
с выдержками времени тем большими, чем меньше значе-
36
1 Чем более резко снижается 1 к вдоль защищаемоrо
ние к' ени я тем более эффективным оказывается осу-
нап р авл , .
ение Т аких защит Длина защищаемои зоны токо-
1дестВЛ . О
вой за1дИТЬ! завиСИТ от режима работы сети. статочное
яж ение петли К3 в месте включения защиты и к , на-
напр (
обо от, тем больше, чем более удалена эта точка рис.
1 2 ). Поэтому рассматриваемые ниже дистанционные
з иты, функционирование которых обычно определяется
противлением петли К3 ZK, пропорциональным отноше-
ю ик/I к , будут иметь тем большие ZK, чем более удале-
а точка К3 от места включения защиты (рис. 1.2, в). При
н . 1
этом оказывается несущественнои крутизна снижения к.
Это определяет, в частности, возможн сть более леrкоrо
выбора параметров таких защит и устоичивость длины за-
щищаемых зон независимо от режима работы сети.
t
t
t
8)
15)
(1.)
Рис. 1.3. Виды характеристик выдержек вреМеНИ t f(l) защит с отно-
сительной селектИВНОСТЬЮ
Полная мощность К3 всеrда направлена к месту по-
вреждения, поэтому ее знак дает возможность выявлять
место К3 по отношению к месту включения защиты.
Выдержки времени рассматриваемых защит в функции
расстояния от места их включения до т.очки К3 Mory!
иметь ступенчатый (рис. 1.3, а), плавныи или зависимыи
(рис. 1.3, б) и ступенчато-плавный или комбинированный
(рис. 1.3, в) вид. Под выдержкой времени на практике
обычно понимается не уставка на opraHe выдерЖКИ време-
ни, а полное время срабатывания защиты до момента по
дачи отключающеrо сиrнала на выключатель. В нашеи
стране для сетей напряжением 35 кВ и выше обычно ис-
пользуются защиты со ступенчатыми характеристиками с
числом ступеней три, иноrда четыре. В распределительных
сетях более низких напряжений при меняютсЯ и друrие ис-
полнения, например при необходимостtI сочетать их с за-
37
щитами, выполняеМ6IМИ плавкими предохранителями, име
ющими штавные характеристики выдержек времени. Преи
муществом защит со ступенчатыми характеристиками по
сравнению с друrими является более простое Выполнение
измерительных opraHoB. Поэтому ниже основное внимание
уделяется именно таким защитам.
На рис. 1.4 приведены трехступенчатые характеристики
выдержек времени заЩIfТ, включенных на радиаЛЬные ли
нии сети с односторонни'м питанием. I\аждый комплект за
щиты (1, 2, 3) имеет три ступени, характеризуемые BЫ
держкаМII времени t 1 , t П и t Irr и защищаемыми зонами [/
[ 1/ [ /II ' ,
И , определенными при металлических I\З,
А :s
Рис. 1.4. Ступенчатые характери
стики вы.в:ержек времени защит с
ОТНОсительиой селективностью в
сети с ОДНОСторонним питанием
А
Б
Рис. 1.5. Характеристика t f(l)
трехступенчатой защиты, вклю:
ченной на участке АВ
Первые ступени (1) обычно работают без специально
устанавливаемой выдержки времени и1 определяет'ся KO
нечным собственным временем срабатывания элементов
защиты). Защищаемые ими первые зоны [! охватывают
только часть длины участка, ближайшую к месту включе
ния защиты. Охват Bcero участка, как правило, нецелесо
образен, так как при этом защита данноrо участка моrла
бы излишне срабатывать при I\З в начале смежных элемен
тов,
Вторы ступени (II) работают с выдержкой времени t11,
обычно одинаковой для всех защит линий сети. Это время,
состаВляющее в среднем около 0,5 с, предотвращает воз
можность срабатывания II ступени защиты при I\З в нача-
ле смежных элементов, Защищаемая II ступенью .зона [П
должна с запасом охватывать конец участка (за первой
38
зоной) и шины подстаиции противоположной стороны. 1\0-
нец [11 оrраничивается началом второй зоны защиты смеж
Horo участка, что предотвращает возможность OДHOBpeMeH
Horo срабатывания смежных защит (последующей и пре
дыдущей) с одинаковым t/I при I\З во второй зоне
предыдущей защиты (например, защиты 3 при I\З в [ T за-
щиты 2).
Третьи ступени (III) имеют наибольшие выдержки вре-
мени t IIl , выбираемые по ступенчатому принципу тем б6ль
шими, чем ближе включена защита к источнику питания.
При этом выдержка времени n й защиты t " ==t l)maX +
+ I1t, rде I1t ступень выдержки времени, принимаемая в
среднем около 0,5 с (см. 1,8). Основное назначение III
ступеней выполнение функций резервирования при КЗ на
предыдущем участке и отказе ero защиты или выключате-
ля. Конец зон действия [IIl III ступеней часто не фиксиру-
ется. Очень часто защиты выполняются таким образом, что
последующие ступени каждоrо устройства MorYT срабаты
вать при несрабатывании по некоторым причинам (напри-
мер, вследствие неДОС1rаточной чувствительности) предыду
щих ступеней. В таких случаях III ступени, являющиеся
наиболее чувствительными, резервируют также работу 1 и
II ступеней cBoero комплекта защиты, а II ступень рабо
ту 1 ступени. Такая возможность показана на рис. 1.5 при
менительно к одной защите, включенной на линию со CTO
роиы электроустановки А.
Используя рассмотренные ниже соотношения алrебры
лоrики, принцип работы защит, например токовых, можно
представить без применения каких либо схем следующим
структурным выражением:
У /1 DtI + /11 DtlI + /1II Dt IlI ( 1.9 )
1 1 ' 2 2 j 3 3 '
rде y сиrнал на выходе защиты; J сиrналы от измери-
тельных opraHoB тока ступеней защит; D операторы за-
держки по времени ступеней защит; индексы 1, II и III свер-
ху указывают номер ступени; ШlДексы 1, 2, 3 снизу соот-
ветствующие им параметры срабатывания.
В отдельных случаях число ступеней защиты может
быть как меньше, так и больше трех. Например, целесооб-
разность выполнения защиты с четырьмя ступенями может
возникнуть при недостаточной чувствительности II ступени
n-й защиты (рис. 1.4 и 1.6) к I\З в конце защищаемоrо эле-
мента. Тоrда для предотвращения возможных отключений
39
таких К3 часто с большой выдержкой времени tA II аРа
трехступенчатом выполнении защиты между 11 и послеДнеjf
ступенями включают дополнительную с временем t II):
>t l' а 111 ступень превращают в IV с выдержкой вреМе.
ни tA V (рис. 1.6, а). Та же задача может быть решена If
без увеличения числа ступеней; для этоrо увеличивают зо.
ну действия 11 ступени п-й защиты и выбирают t II >t 11
n n 1
(рис. 1.6, б). Однако Пр'И этом К3 в конце участка будут
ликвидироваться менее эффективно с большей выдерж-
кой времени.
t
а)
t 'l
n t!=t 1+LIt л
5) 1
Рис. 1.6. Варианты характернстик
выдержек . времени ступенчатых
защит
8
Рис. 1.7. Ступенчатые характери
стиКи выдержек времени защит с
отНОСительной селективностью в
сети с двусторонним питанием
Сокращение числа ступеней защиты линий иноrда осу-
ществляется путем исключения одной из них или совокуп-
ности двух. При этом для основных защит одновременное
исключение 11 и 111 ступеней недопустимо, так как остав-
лять защиту только с 1 ступенью нельзя она не защища-
ет конца участка. Такая защита иноrда применяется только
как дополнительная, обеспечивающая быстрое отключение
К3 в начале участка, имеющеrо друrую основную защиту.
На рис. 1.7 приведены ступенчатые характеристики вы-
держек времени защиты для участков линий сети с дву-
сторонним питанием. В этом случае комплекты защиты
включаются с обеих сторон каждоrо участка и для обеспе
чения полной селективности при внешних К3 дополняются
орrанами направления мощности, разрешающими им сра-
батывать только при направлении мощности К3 от шин в
сторону защищаемоrо участка. Характеристики защит 1 и
40
. в ющих при направлении мощности К3 слева на-
3, д: c / рис. 1.7 показаны сверху, а защит 2 и 4, действу-
IIра ' с оответственно при направлении мощности К3 спра-
jOщих
а налево, снизу. .
в Диаrраммы на рис. 1.4 и 1.7 подтверждают возмож ость
Л ьной ликвидации К3 защитами с относительнои се-
IIрави
лектИВНОСТЬ ю.
Для направленных защит, например токовых направ-
леННЫХ, как и рассмотренных выше ненаправленных, прин-
цип работы можно представить следующим структурным
выражением:
у === S (II Df1 + 1 I DJll + 1111 D1IlI), (1.10)
rде S ,сиrнал от opraHa направления мощности. .
Если рассматриваемая защита является дистанционнои,
ее измерительные opraHbI сопротивления часто сами обла-
дают направленностью действия. В этом случае отдельные
opraHbI направления мощности отсутствуют и структурное
выражение защиты может иметь вид
У ZI DtI + ZII Dt II + ZIII Dt IlI ( 1.11)
11 2233'
rде Z сиrналы от направленных opraHoB сопротивления.
Для последних (III) ступеней направленных защит мо-
жет быть применен и принципиально друrой способ выбо-
ра параметров [18]. При этом способе последние. резерв-
ные ступени (например, 111) выполняются работающими в
обратном направлении от линии в сторону шин, к Кото-
рым она присоединена. Получающиеся при этом характери-
стики выдержек времени, например у защит 2 и 3, приве-
дены на рис. 1.8. Такое выполнение исключает отключение
элементов, присоединенных к ответвлениям на неповреж-
денной линии АВ, при ликвидации К3 на линии ВВ защи-
тами линии АВ (защита 2) как резервными. Однако на-
правленные защиты MorYT иметь 11 ступени недостаточно
Чувствительными; тоrда К3 в коНце участка ликвидирует-
Рис. 1.8. Специальное BЫ
полиение характеристик
третьих ступеней защит,
исключающее отключение
ответвлеиий при действии
защиты как резервиой
41
ся не их Н, а III ступенью. Так, например, КЗ у шин В на
участКе БВ при указанных характеристиках защит может
отключаться 1 ступенью защиты 4 и III ступенью защиты
2. В таких случаях при рассматриваемом способе излишне
может отключаться подстанция Б. Кроме тoro, при pac
сматриваемом выполнении III ступени не MorYT полноцен-
но резервировать защиту смежноrо участка при питании
защит от общеrо источник? оперативноrо тока подстанции,
на которой они установлены (при неисправности указанно
[о источника защиты не работают). С учетом изложенноrо
рассматриваемый способ не всеrда эффективен и ИСПОЛЬЗУ-
ется редко.
Защиты с абсолютной селективностью. К этой rруппе от-
носятся защиты, основанные на непосредственном или кос-
венном сравнении электрических величиН по концам защи
щаемой линии или на двух или нескольких присоединенных
к общим шинам линиях электроустановки. В первом случае
защиты называются продольными, во втором поперечны-
ми. П И непосредственном сравнении электрических вели
чин по связующим звеньям передаются контролируемые
электрические величины, а при косвенном сиrналы бло-
кировки или разрешения срабатывания от сработавших
элементов защиты и защит в целом.
Для продольных защит в качестве связующих звеньев,
по которым передается информация об электрических Be
личинах с одноrо конца участка на друrой, используются
вспомоrательные провода, прокладываемые обычно в зем-
ле, провода самой защищаемой линии, по которым переда
ются сиrналы токами высокой частоты, или редко спе
циальные радиоканалы.
В качестве связующих звеньев для поперечных защит
целесообразно, очевидно, применять вспомоrательные про-
вода, прокладываемые в пределах данной электроуста-
новки.
В защитах с абсолютной селективностью MorYT сравни-
ваться MrHoBeHHbIe токи или только фазы токов, а также
знаки мощностей или ИНОfда направления MfHoBeHHbIx TO
ков.
Защиты, непосредственно сравнивающие MrHoBeHHble
токи, называются дифференциальными токовыми; их раз
новидностью являются дифференциально-фазные токовые,
в которых сравниваются фазы токов. Защиты, сравниваю-
щие знаки мощностей, называются направленными. В не-
которых случаях, например для параллельных цепей ли-
42
ний, при меняются и поперечные токовые направленные за-
ЩUТbl, в частности дифференциальные.
На рис. 1.9, а показана линия с двусторонним питаНII-
ем, оборудованная защитой с абсолютной селективностью.
условные положительные направления токов 11 и l J1 С двух
ее сторон, показанные на схеме стрелками приняты от
шин А и Б в сторону линии. При КЗ на защищаемой линии
(точка К\) токи кз /. И J1 сдвинуты по фазе на относи-
телЬНО небольшой уrол б (рис. 1.9. б), определяемый yr лом
Б
I
о-lл
о)
I
o 1800
J11. 8)
Рис. 1.9. ПРИНЦИП действия продольных защит с абсолютной селектив-
ностью
сдвиrа ЭДС Iiл и Iiл инеодинаковыми уrлами сопротив-
лений arctg (ХлIRл) и arctg (ХБ/RБ) двух частей систе-
мы по отношению к точке К\. В случаях внешних КЗ этот
уrол для участков не очень большой длины если npeHe-
бречь их емкостной проводимостью, равен 1806 (рис. 1.9, в).
Мощности КЗ при повреж-
дении на линии и тех же yc
ловных направлениях, что
и токи, имеют одинаковые
знаки, а в случаях внешних
К3 разные.
С учетом указанноrо раз
личия в фазных соотноше-
ниях токов или знаках мощ-
ности К3 представляется
возможным обеспечивать
селективность при внешних
I(З рассматриваемой rруп-
пы защит без использова-
ния выдержек времени.
Неселективные защиты.
Рассматриваемые защиты
являются разновидностью
А 3 Б 2
I Зона допущенных
t
неселентиВных
срабатыВаний
защиты 3 tf
Jl
I t/
lJ I lf zf Z
I z
Рис. 1.1 О. Характеристики выдер-
жек времени при неполностью
селективной первой ступени за-
щиты 3
43
защит с относительн,ой селективностью и часто отличают.
ся от последних только выбором параметров срабатывания
отдельных ступеней. '
На рис. 1.10 в виде примера приведена трехступенчатая
характеристика защиты 3 участка I4Е линии с ОДНосторон_
ним питанием. Она отличается от характеристик защит рис.
1.4 тем, что ее первая зона l охватывает весь участок Б
и шины подстанции Е. При таком выполнении защиты Кз
в любой точке защищаемоrо участка будут отключаться
без выдержки времени. При КЗ в начале участка ЕВ од-
новременно с первой ступенью защиты 2 будет срабаты-
вать первая ступень защиты 3. Ее нежелательное, но наме.
ренно допущенное срабатывание будет исправляться АВп.
В отечественной практике находят применение неселектив-
ные токовые защиты преимущественно в распределитель-
ных сетях с иHOM 35 кВ. Они выполняются, например, так,
чтобы без выдержки времени отключались все КЗ, обу-
словливающие на шинах rоловных подстанций остаточные
напряжения, меньшие примерно О,6и ном .
1.3. ВИДЫ КАНАЛОВ СВЯЗИ
Связь в пределах электроустановок (например, соеди-
нения между Т А и TV и устройствами защиты) обычно вы-
полняется по жилам контрольных кабелей. Для продоль-
ных защит как с косвенным, так и снепосредственным
сравнением электрических величин в качестве связующих
звеньев каналов связи для передачи информации при-
меняются проводНЫе (вспомоrательные провода, выполнен-
ные в виде контрольных кабелей), высокочаСтотные ира-
диоканалы. В последние rоды в связи с начавшимся
использованием дискретной передачи информации от Т А и
TV к устройствам защиты, внедрением микропроцессорной
техники (проrраммных защит) началось применение в пре-
делах электроустановок специальных ОПТИКО-ВОЛОКОIlНЫХ
кабелей, хорошо известных в технике сRязи (см., например,
[53]). Такие кабели с успехом MorYT при меняться в виде
каналов связи и для продольных защит .rшний оrраничен-
ной длины.
Каналы с вспомоrательными проводами. В качестве вспомоrатель-
ных ПРОВОДОВ дЛЯ продольных защит линий обычно используются жилы
.бронированноrо кабеля или МНОrожильноrо, специальноrо кабеля (слу-
жащеrо одновременно для системной телемеханики и связи), проклады-
BaeMoro в земле. Применение Проводов, подвешениых на опорах ВЛ
44
связи или даже на отдельных опорах, для основных защит считается
нецелесообразным, так как эти провода имеют надежность во MHoro
раз менЬШУЮ, чем У защищаемых линий. По тем же причина м обычно
не прнменяюТ жилы кабелей общей связи. Связь в пределах подстан-
цнй выполняется по жилам контрольных кабелей. По вспомоrательным
проводам передача информации производится на переменном токе про-
мышленной частоты (50 [ц), постоянном токе илн, редко, токах то-
иальиЫХ частОТ.
В изолированных от земли жилах кабелей продольных защит МО-
ryT возникать перенапряження. Эти перенапряжения определяются дву-
мя основными факторами:
ЭДС влияния, наведенными в жилах кабеля за счет взаимоиндук-
ции между этим кабелем, проложенным в земле вдоль трассы защища-
емой линии, и самой линией. ЭТИ ЭДС, обусловленные токами иулевой
последовательности, возникают при КЗ на землю;
напряжением на заземляющем контуре электроустановок, по кото-
рому при указанных КЗ проходят токи нулевой последовательности; это
напряжение передается проводящей оболочке кабеля (свннцовой, бро-
нированной), непосредственно соединениой с 'указанным контуром. За
счет емкостной связи между оболочкой и жилами и друrих факторов
возникает напряжение и на жилах. Это явление принято называть «вы-
носом потеициала заземления электроустановки».
Результирующее значенне возможиоrо перенапряжения определя-
ется rеометрич ской суммой рассмотренных слаrающих. С этими пере-
напряжениями приходится считаться также в устройствах передачи от-
ключающих сиrналов. Использование разрядников для защит от этих
перенапряжений нецелесообразно, так как нарушало бы канал связи
в момент возникновения КЗ в защищаемой системе. Поэтому принима-
ются специальные меры для снижения перенапряженнй. Для снижения,
например, перенапряжений, обусловленных ЭДС влияния, кабель уда-
.ляют на достаточное расстояние от трассы защищаемой лини!l. Значи-
тельно сложиее предотвращается ВЛИяние, определяемое выносом потен-
циала. Рекомендации по этому вопросу можно рассматривать как
наХодящиеся в стадии разработок. Рассмотренные перенапряжения сле-
дует также учитывать при выборе ИЗОЛЯЦИи аппаратуры и выполнения
устройств, контролирующих исправность жил кабелей.
Оптико-волоконные каналы. Основной частью этих каналов явля-
етсяоптический световод, представляющий собой волокно из KBapueBoro
стекла с переменным показателем преломления. Оптический луч рас-
пространяется по стекловолокну, MHoroKpaTHo отражаясь от внутрен-
ней rpaHH стекол. Стекловолокно можно укладывать рядом в жrуты,
так, как переХ0дные затухания между ними очень велики. Таким обра-
зом, собранные в жrут световоды передают лучи независимо друr от
друrа. Снаружи располаrается защитная пластмассовая оболочка и,
45
в случае необходимости, броневой покров. Такой световод (ОПТИКО-ВОЛ!r
конный кабель) можно, как и обычный кабель, прокладывать в земле
или подвешивать (например, для соедииеиия Т А на потеициале прово-
да BblcoKoro напряжения с устройством иа потеициале земли).
Структурная схема оптико-волокониоrо каиала в целом приведена
на рис. 1.11. Она включает кроме оптическоrо световода осв электро-
оптический передатчик зол и оптико-электрический приемиик озл.
Осиовным элементом зол является светодиод или полупроводниковый
лазер. Часто предпочитается п?следний. Ои управляется электрическими
сиrналами и создает соответствующие им световые сиrналы. Осиовным
злемеитом озл является обычно фотодиод, которыЙ создает электри-
ческие сиrнаJLЫ, подобные передаиным осв световым, т. е. восстанав-
.1Ивает сиrналы, поступаЮЩИе на зол.
ПЕ!реdабаl!МЫи. _
:lЛектРl1 vеощ 11
l(Jzнал I
I зап
Прl1.Нl1 на ем'?}и
л ектР" I:' ::' Л
О.JП \
Рис. 1.11. Оптико-волокоиный канал
Оптико-волокоииые каналы имеют ряд преимуществ по сравиению
с друrимн проводными каналами: высокую помехоустоЙчивость от
внешних и виутрениих источников, малую материалоемкость и большую
эластичность, возможиость передачи большоrо объема ииформации, в
них ие возникает проблем выиоса потеициала.
Высокочастотные каналы. Как правило, они выполияются с ис-
пользоваиием проводов защищаемых лииий. Для выполиеиия передачи
по каналу производится высокочастотиая (ВЧ) обработка проводов
фаз, заключающаяся в устаиовке по коицам защищаемоrо участка за-
rрадителей и коидеисаторов связи. Наимеиьшее количество аппаратуры
требуется для обработки по схеме фаза земля, которая в иашей стра-
ие всеrда примеияется для релейиой защиты [28]. Принципиальиая
схема ВЧ каиала по схеме фаза земля приведена на рис. 1.12. Канал
состоит из следующих элемеитов: проводов фаз лииии, заrрадителей 3'
и 3'1, коиденсаторов связи 4' и 4'1, защитных устройств 5' и 5'1, фильт-
ров присоедииеиия 6' и 6/1, ВЧ кабе,1lей 7' и 711, приемопередатчиков
8' и 8".
В передаче ВЧ сиrиалов участвуют все три фазы лииии, даже если
обработаиной является только одиа из них. 3аrрадители препятствуют
распростраиению энерrии ВЧ сиrиалов за пределы защищаемоrо участ-
ка. В качестве конденсаторов связи при UHOM 500 кВ используются
46
ые Д елители иап р яжения трансформаторов напряжения (см.
емКОСТН
rл. 3). Фи. ьтр присоединения совместно с конденсатором связ обра-
зует полосовой фильтр, пропускающий только токи необходимои поло-
от Высокочастотные кабели соедИНЯЮТ приемопередатчик с
сы част . .
фильтром присоединения. Они представляюТ собои ОДНОЖИ,1lьиые кон-
центрические экранированиые кабели с малым затуханием дЛЯ ВЧ
сиrиалов (применяются кордельиые или радиокабел.И). Приемопередат-
чикИ rеиерируЮТ и прииимают сиrналы токов высокои частоты. epeдaT-
чикИ пускаются в работу и остаиавливаются сиrналами реле иной ча-
сти защИТ. Сиrиалы, получаемые иа выходе приемников, вводятся в
релейные части защит д. я их правильиоrо функциоиирования.
I т.А2 /1 п 1 "
Q.1 ТА2' ос.
., .
5'Щf ,7 5"
Рис. 1.12. Принципиальиая схема ВЧ канала по схеме фаза земля
Требоваиия, предъявляемые к ВЧ каналу условиями работы про-
дольных защит, принципиально MorYT быть удовлетворены при работе
передатчикоВ обеих сторон лииии иа одной частоте. Однако в некото-
рых случаях при этом возиикают затруднеиия [28]. Поэтому в отечест-
Беиной практике используется иебольшое разиесение частот (до 1,5
кrц) так называемые сближенные частоты в пределах общеЙ полосы
пропускания, предложеиное в свое время отечествеиными и кцтайскими
.специалистами. ДЛЯ ВЧ каналов релеЙиой защиты в общем случае мо-
тут использоваться частоты в пределах 40 500 кrц,
Для получения необходимоrо сиrнала во всех рабочих режимах
БЧ канала передатчики должиы обеспечивать необходимый запас по
перекрываемому затуханию. Особеиио сильные затухания возникают
при осаждении на проводах линий rололеда, изморози или MOKporo
сиеrа вследствие диэлектрических потерь в слое покрытия. При сильиых
тололедак зти затухания MorYT (в редких случаях) даже превосходить
допустимые значения, и для некоторых типов защит (селективность дей-
47
ствия которых при внешиих КЗ обеспечивается ВЧ сиrналами) встает
вопрос О выведении их. при этом из работы. Очеиь важиым является
учет разноrо рода помех. При их отсутствии ВЧ приемник Mor бы
иметь почти неоrраничеино высокую чувствительность и сиrналы моrли
бы передаваться на весьма большие расстояння. Значительный уровень
помех в ВЧ каналах определяется rлавным образом высоким напряже
нием проводов защищаемых линий сети. Оно обусловливает помехи от
коронирования проводов, от дуr при К3, при операциях с выключате
лями, разъединителями и др. Кроме Toro, имеются помехн от соседних
ВЧ каналов, радиостанций, атмосферных разрядов. Отстройка от помех
со стороны защищаемой сети осуществляется выбором пороrа чувстви
тельности ВЧ приемника и обеспечением минимально допустимоrо
уровня принимаемых им СИrналов. Отстройка от помех со стороны со-
седних ВЧ каналов и радиостанциЙ обеспечивается соответствующим
выбором рабочей по, осы частот, в которой помехи от каналов с друrи-
ми частотами были бы достаточно малы. В современной аппаратуре
техники связи всеrда используется кварцевая стабилизация сиrналов
передатчиков, что обеспечивает высокую стабильность частоты каналов
Одним из недостатков ВЧ канала является ero нарушение на участ
ке с К3. Особенно ненадежно, с очень большим затуханием проходит
сиrнал через место трехфазноrо К3 на землю; он существенно затухает
и при однофазном К3 на обработанной фазе вблизи конца линий. Это
приходится учитывать при выполнении защит с ВЧ каналами.
Первые ВЧ приемопередатчики для защиты в Советском Союзе
были разработаиы и выпущены в 30-х rодах лабораторией им. А. А. Сму-
рова. Последующие, более совершеиные отечественные приемопередат
чики разрабатывались во ВНИИЭ (r. В. Микуцким).
РадиоканаJlЫ. Простейший радиоканал, примеияемыii для лииий
небольшой длины, состоит (рис. 1.13) из приемопередатчиков 3' и 3",
линий 4' и 4", иаправленных антенн 5' и 5" и пространства между по-
следиими. Радиокаиалы большой протяженности выполняются радио
релейными лиииями; последиие никаких релейных свойств ие имеют и
отличаются от каналов малой протяженности наличием промежуточных
приемопередающих радиостанций, которые усиливают радиосиrналы.
Радиоканалы работают на ультракоротких волнах (УКВ). Пред
почтение отдается дециметровым! и сантиметровым волнам. Оии, как
Q1' ТА2'
5'
3' '1'
ТА2" а1"
511 M D--f
з/1
1/11
Рис. 1.13. Прииципиальная схема простейшеrо радиокаиала
48
аспространяютСЯ в непосредствеиной близости от поверхно
правило, р чти ие оrибают выпуклостей ее поверхности. Поэтому
емли и по
сти з лииа П р остейших раДИОКlIналов (рис. 1.13) оrраничи-
имал ьная Д
макС я r убо rоВоРЯ, пределами прямой видимости между антениами
ваеТС, р П р евосходит даже прИ их высоком расположении 40 60 км.
и е .
Х Р асстояниях переходят на радиорелеиные линии.
При боль ши
ОбластИ примеиения различных каналов связи. д я свя
зей в пределах электрических установок (станции, под
ии . ) ши р око используются вспомоrательные провода,
станц б . О
ос ществляемые в виде контрольных ка елеи. ни в слу
. У Н еобходиМОСТИ применяются также для продольных
чае .
защИТ линий BbJCOKoro напряжения дли нои до неСКОJlЬКИХ
километроВ. Основными -недостатками проводноrо канала
являюТСЯ: большие затраты на провода и их прокладку-,
пропорциональные длине канала; возможность нарушении
в связи с прокладкой по неохраняемой территоРИИ, которые
MorYT приводить к продолжительному выходу защиты из
работы и отказам в функционировании (при несовершенст
Ве устройств контроля), и ряд друrих, перечисленных выше.
ЗначителЬНЫМИ преимуществами в ряде случаев обла
дают оптико волоконные каналы, выполняемые обычно в ви
де кабелей, поэтому они начинают получать широкое при
менение в технике релейной защиты как электроустановок,
так и линий относительно небольшой протяженности.
Для линий длиной, превосходящей несколько километ
ров, по технико экономическим показателям более целесо
образно применение ВЧ каналов. Радиоканалы, особенно
радиорелейные линии, в качестве основных каналов связи
защит пока в отечественной практике почти не находят
применения, хотя и имеют ряд преимуществ (см. [1 О] ).
1.4. МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ К АНАЛИЗУ,
СИНТЕЗУ ЗАЩИТ И ВЫБОРУ ИХ ПАРАМЕТРОВ
СРАБАТЫВАНИЯ
в технике релейной защиты, весьма мноrоrранной по
своему содержанию, но сформировавшейся во вполне оп
ределенную научно техническую область знаний, использу
ется ряд известных методов и математических приемов.
необходимо подчеркнуть, что задачи выполнения защиты
IJO Существу обычно мноrокритериальны, так как при вы-
боре наилучших вариантов приходится учитывать различ
fJble предъявляемые к ней требования, среди которых час
4.......855
49
'То имеются и проти оречащие друr друrу. Однако на прак-
тике обычно сводят решение задач к однокритериальным:.
Величины, с которыми оперируют в защите, являются,
как правило, случайными (токами наrрузки в рабочих и
Переходных режимах, токами К3, поrрешностями opraHoB
защиты и т. д.). Поэтому принципиально моrли бы доста-
TO'IHO широко использоваться положения теории вероятно-
.сти. Такой подход был впервые предложен К. Ю. МёJlле-
ром (Таллиннский поли,технический институт) еще в 60-е
rоды. В дальнейшем он был несколько развит в работах
ряда друrих отечественных орrанизаций. Однако он пока
широкоrо распространения на практике не получил.
Ниже, как правило, будет использоваться более простой
для расчетов детерминистический подход, в котором вы-
бор параметров осуществляют, исходя из случаев, считаю-
щихся «наихудшими», С учетом элементов вероятностной
оценки. Последнее осуществляется введением нормируе-
мых коэффициентов отстройки, чувствительности, соrласо-
вани я, выбираемых на основании мноrолетних статистичес-
ких данных. Исключение пока составляют, например, тео-
рия надежности защит и подход к выбору выдержек
времени защит с относительной селективностью, рассмот-
ренный ниже. .
При ступенчатых характеристиках этих выдержек вре-
Мени, например, III ступень п-защиты имеет выдержку вре-
мени t IIl > t l1I . Выби р аемая Р азность tIIl t III == Лt как
п п l п п l Ll n,
указывалось выше, называется ступенью выдержки ВреМе-
ни. При выборе М учитываются следующие требования:
она должна быть минимально допустимой для уменьшения
уровня выдержек времени защит в системе и быть такой,
чтобы повреждение на предыдущем, (п l) -м участке от-
ключалось раньше, чем сработает защита последующеrо,
n-ro участка. Учитывая это, ступень I'1t при детерминисти-
ческом подходе было предложено в 30-х rодах [1] выби-
рать по выражению
М п == tB(n l) + t n (n l) + ' пп + t ип + t зап . (1.12)
В это выражение входят: время действия tB(tH) выклю-
чателя предыдущеrо, (n I)-ro участка (время от подачи
сиrнала на отключение до разрыва тока КЗ); сумма абсо-
лютных значений максимальной положите,1lbНОЙ поrрешно-
сти tп(п...--.l) предыдущей защиты, которая затяrивает отклю-
чение, и максимальной отрицательной поrрешности t пп дан-
ной п-защиты, которая может привести к преждевременно-
50
му излишнем ее срабатыванию; время инерционней о иб-
кн tnn даннои защиты, учитывающее возможность деист-
вия opraHoB этой защиты уже после отключения внешнеrо
К3, и некоторЫЙ запас tзап. .
Время действия выключателеи колеблется в широких
пределах: примерно 0,04 0,3 с. Максимальные поrрешно-
сти вторичных защит с независимыми характеристиками
обычно не преВОGХОДЯТ + (0,05 0, 1) с, составляя полови-
ну rарантируемоrо заводами вре,иени разброса tраЗб. Инер-
ционные ошибки для этих защит близки к нулю. Поэтому
М для указанных защит не должна превышать 0,2 0,6 с
При использовании менее точных защит, а также защит с
завиСИМЫМИ характеристиками Llt иноrда достиrает O,8 1 с.
В выражении (1.12) ярко проявляется детерминистичес-
кий подход к определению принимается маловероятное
«наихудшее» сочетание поrрешностей смежных защит, в
особенности коrда считается, что они определяются только
разбросом (от установлениоrо в емени срабатывания),
представляющим собой типичную вероятностную величину.
В общем случае поrрешности определяются также ра-
ботай защит в разных температурных условиях и т. п. Учи-
тывая влияние этих слаrающих поrрешностей и t ип в t зап ,
принимая нормальный закон распределения для t п от раз-
броса и используя правило трех сиrм (см., например, [16]),
можно получить для Llt следу ющее выраж ение:
М п == tB(п l) + V t;(n l) + [;п + t зап . (1.13)
При выборе I'1t n таким способом обеспечивается работа
защит с очень большой вероятностью Р ее отстроенности
от внешних К3 (р 0,999) и имеется возможность сниже-
ния I'1t, например при tп(п l) ==tпп==О,5tразб примерно на
0,3t Р8З б.
Дальнейшее повышение точности по времени работы
opraHoB, уменьшение времени отключения выключателей,
а также рассмотрениый проrрессивный вероятностный под-
ход к определению !:J.t MorYT существенно влиять на сниже-
НИе уровня выдержек времени защит с относительной се-
лективностью в системе.
1.5. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЗАЩИТЕ
Положительные направления. При написании соотно-
шений между синусоидальными электрическими величина-
ми как для MrHoBeHHblx, так и для амплитудных их значе-
4'"
5\
ний следует задаваться положите.1ЬНЫМИ направлеНИЯМl!
величин. Это важное положение подчеркивалось в теХНике
релейной защиты, начиная еще с начала ЗО-х rодов [4].
Положительные направления можно, вообще rоворя, выби-
рать произвольно. Однако в электротехнике для мноrих
случаев рекомендуются определенные положительные на-
правления, большинство которых широко используется и в
технике релейной защиты
Ниже рассматриваются некоторые случаи принимаемых
условных положительных направлений.
На рис. 1.14, а показан идеальный источник ЭДС, сину-
соидальноrо переменноrо тока, который изображается
кружком со стрелкой внутри. К ero зажимам 1 и 2 присо-
! Q
<!ty;1
а)
Рис. 1.14. Электрическая цепь с идеальным иСточником ЭДС и вектор-
ная .:щаrрамма электрических величин
единена наrрузка, характеризуемая индуктивностью L и
активным сопротивлением R. Стрелка Е внутри кружка ис-
точника ЭДС еи) указывает ее положительное направле-
ние. Для тока i и), и напряжения u и), и на зажимах ис-
точника, paBHoro падению напряжения в наrрузке, приня-
ты обычно используемые положительные направления.
Тоrда u(t) ==e(t) и на векторной диаrрамме (рис. 1.14, б)
вектор!!. совпадает по фазе с ЭДС . Положительное на-
правление падения напряжения!J. в наrрузке принято
совпадающим с направлением тока i (t), J. Оно (!J.И) рав-
но и, совпадает с ним По фазе и опережает ток J на уrол
<р a rctg «(j)LIR).
На векторных диаrраммах уrлы между напряжениями
и соответствующими им токами в электрической цепи обыч-
но отсчитываются от тока к напряжению в направлении
против движения часовой стрелки; при этом они считаются
положительными. Однако эти уrлы MorYT отСчитываться и
в направлении движения часовой стрелки. В этом случае
52
11 должны приниматься отрицательными. Таким образом,
О ол qJ между одними и теми же векторами напряжения и
OKa может иметь два значения (рис. 1.15), сумма абсолют-
ных значений которых составляет 360°.
=W 1
G 'Р<О
u(t)'lJ.. ф l lи(tM
(зде)
2
Рис. 1.15. Фазные соотношения
между и
Рис. 1.16. Идеальный источник
напряжения
Следует отметить, что иноrда используется понятие не
источника ЭДС, а идеальноrо источника напряжения u (t),
и (рис. 1.16). При этом все сказанное выше относительно
3ДС е и), Е полностью относится и к последнему.
На рис. 1.17, а показана индуктивность L, ПО которои
проходит ток i(t), 1, например, от идеальноrо источника
тока (изображается кружком с двойной стрелкой, фцкси-
L (t),[ .
И ) I f] L IUL(t),I/L
l' , feL(t),Et
2 0.)
J I lZ чr:= шg: JJJ !
900 и 90 .
Д" E L ... L
5) 8
. .fL' .
Рис. 1..17. Цепь с идеальным источником тока и векторные диаrраммы
рующей положительное направле.ние тока). Принятые по-
ложительные направления тока t (t),!.., падения напряже-
ния в индуктивности UL и), и L И возникающей ЭДС само-
индукции eL (t), E L направлены от зажима 1 источника к
зажиму 2. На основании закона электромаrнитной индук-
ции Фарадея Максвелла ЭДС еL== dЧ!/dt. сли _ пото-
косцепление Ч! линейно зависит от тока (Ч!==Lt) , то eL==
== ,Lditdt. С учетом правила Ленца, выражающеrо прин-
53
цип электромаrннтцой инерции, в выражении для eL Стои'l'
знак минус, поскольку ее ПОложительное направление при-
нято совпадающнм с током i.
На векторной диаrрамме (рис. 1.17, б) L отстает по
фазе от 1 на 900; потокосцепление чr == wФ (w число вит-
ков ИНдуктивности, Ф поток), ес лн i н Ф связаны прави-
J:OM правоrо ВИнта, ёОвпадает по фазе с током !. Напряже-
нне UL== eL, так как оно должно уравновешивать eL, по-
этому на векторной диаrрамме U L Сдвинуто по отношению
к E L на уrол 1800. Необходимо отметнть, что ННоrда (на-
прнмер, при построенин векторной диаrраммы для транс-
форматоров тока, как было предложено в [4]) бывает
удобно дЛЯ E L принять УСЛОВНое Положительное направле-
ние противополоЖным току 1. Тоrда e L == + Ldi/dt и вектор
E L должен быть изображен опережающнм векторы 1 и чr
на 900 (рис. 1.17, в). Естественно, правило Ленца при этом
не нарушается.
Принципиально ИНДУКТИВность L вне зависимости от
ПРИНI1Маемых условных полОжительных направленнй Bcer-
да остается величиной положительной; это относится так-
же и к понятиям емкости' С и СОПротивлення R.
В электротехнике, в том чнсле в техннке релейной за-
щиты, используются разноrо рода схемы замещения. Эти
схемы представляют только математическне модели, описы-
вающие определенные электрические Влияния. В Этнх схе-
мах Иноrда Появляются, например, «отрицательные» ин-
дуктивности рассеяния. Их следует, как и друrие элемен-
ты схемы, оценивать только Как расчетные величнны, не
нарушающие приведенных выше положений.
Фазные и междуфазные наПряжения. Далее рассматри-
ваются трехфазные электрические Системы. На рис. 1.18, а
условно показан трехфазный идеальный источник Е А , Ев,
Ее, работающий на трехфазную наrрузку, соединёНную в
звезду, с сопротнвлениями фаз A, !в. e. Фазы изобра-
жепной системы связаны всеrда с землей через практичес-
ки одинаковые, хотя, может быть, и весьма малые емкостн
Со. Поэтому нейтральная точка соединенных в звезду ис-
точников фазных ЭДС оказывается как бы «прнвязанной»
к земле и имеет потенциал при пренебрежении влиянием
rapMoHHK, кратных трем, тот же, что и потенgнал земли,
Принимаемый равным Нулю.
54
u в электротехнике обычно на:
ФаЗНЫМ напряжение ф м ф.l о отношениЮ к нейтральноя
напряжение азы Если наrрузка сим-
зЬ/ваю и т сточника питания или наrрузки о . м Р ежиме работы
точке Z ZB===Ze), то в принят
етрична С А яжения одинаковы. При не-
;истемы расс атрива ь Н:е%ральная точка получает по
мметричнои н rруз u оч ке источника смещение.
си ию к неитральнои т
отношен
ZA
УА
Ун !/СА !t\ и, в
u YB
...0 иВС
[)
Рис. 1.18. Напряжения в трехфазной системе
u по фазными напряжения-
В технике релейнои з?щиты ф аз д по отношенню к земле,
и имают напряжения и
ми Ф пон Нап р яжение UФ равно ф,Н
u Р альным точкам.
а не к неит u ии системЫ. В случае возникно-
только при ПОЛНОИ u симм землю (например, однофазноrо
вення повреждении фаз с изолированной нейтралью
замыкания на зеМлю в систе е может резко отличаться от
по рис. 1.18, а) напряжение Ф И ями понимаются на-
Ф азными напряжен
Uф,н. Ниже под З емле обозначаемые со-
Я U Ф аз по отношению к ,
П р яжени Ф
и u
ответственно!! А, В И е. ся разности соответству-
По д междуфазными понимают и и и в При-
. ий например AB A . u
ющих фазных напряжен , ен ия Д ЛЯ нап р яжении
. ьные направл
нимаемые положител ствующая им векторная дна-
даны на рис. 1.18,а, соотвеТежима на рис. 1.18,6.
r p aMMa для симметричноrо Р по зад анным ЭДС и
еских величин .
Определение электрич жения Определение токов
с использованием принципа нало в си теме может произ-
и напряжений при повреждения с едственНо по заданным
водиться двумя способами овРанием известноrо прин-
ЭДС reHepaTopoB или с испо
ципа наложения.
55
Принцип наложения применим для линейных цепей и
обычно реализуется путем наложения на заданный режим
работы системы последующеrо аварийноzо режима.
Таким образом, комплексная электрическая величина
при повреждении [к является суммой рабочей [раб И aBa
рийной [ав величин, откуда
F ===р p . ( 114 )
aB', K раб .
В технике релейной защиты используются оба paCCMOT
ренных принципа. Принцип наложения' оказывается oco
бен но эффективным, коrда требуется определение только
аварийных слаzающих токов и напряжениЙ обратной и HY
левой последовательностеЙ, обычно практически OTCYTCTBY
ющих в рабочих режимах, а Иноrда и аварийных слаrаю
щих прямоЙ ПОСlIедовательности или полных аварийных'
слаrающих, также отсутствующих в рабочих режимах.
При простых видах повреждениЙ они непосредственно оп
ределяются по известному рабочему напряжению (при КЗ)
или рабочему току (при разрыве фазы) в месте последую
щеrо повреждения.
Необходимо отметить, что токи в месте ответвления к
точке КЗ (не в ветвях схемы) определяются только aBa
рийными слаrающими.
Особениости использоваиия прииципа наложениия. Применнтельн()
к определению токов н напряженнй при К3 в одной точке К (рис.
1.19, а) прннцип базируется на допустимости включения в месте К3
двух идеальных (с внутренннм сопротивлением, равным нулю) нсточ
ников ЭДС (в литературе часто неудачно двух напряжений) И' 11
С6
Е...
С6
е)
и' и"
а) II ,)
6)
Рис. 1.19. Использованяе принципа
наложения для случая К3 в одно-
фазной схеме системы
56
и", равных по значению н ПРОТИВОПОЛ<JЖНО направленных. Значения
И' и И" прннимаются равными напряжению Ик,раб В точке К до на-
Zтупления повреждения. Реrулирующее действие двух этих источников
отсутствует (их векторы совпадают по фазе, и их разность равна ну-
лю рис. 1.19, б).
Эквнвалентные ЭДС Е А и Ев в сочетании с источником ЭДС И
характеризуют рабочий режим, имевшнйся до возникновення К3 (рис.
1.19,8). Второй источинк ЭДС И" создает условия собственно аварий-
Horo режима (рис. 1.19. е), а получающиеся в нем токн и напряжения
принято называть аварийными слаrающимн. Приведениое рассмотрение
полностью характеризует принцнп наложения только для случая ме-
таллическоrо К3 в одиофазной системе или трехфазноrо К3 в трехфаз-
ной, Полное аварийное напряжеиие в точке К3 Ик,ав при принятии для
Hero положительноrо направления от точки К3 (иапример фазноrо на-
пряжения по отношеиию к земле) будет тоrда равно Ик.раб (рис.
1.19, е).
Преобразованне трехфазиых цепей в однофазные. Рассматривае-
мые ниже трехфазные электрическне системы являются в первом при-
ближении симметричными и линейными. Их анализ работы при несим-
метричных повреждениях во мноrих случаях значительно упрощается
при преобразовании фазных велнчнн (напряжений, токов, сопротивле-
ний), обеспечивающем представленне расчетной трехфазной схемы в
виде одной иЛи нескольких однофазиых схем. Для этоrо может быть
использована система симметричных составляющих прямоЙ, обратной
и нулевой последовательности, которые в случае необходимости объ-
единяются в комплексную расчетную схему.
Метод снмметричных сосТавляющнх. известныЙ в технике с 1912 r.,
в законченном виде изложен в 1918 r. Фортескью и использован далее
Эвансом и BarHepoM (США) дЛЯ расчетов К3. Он применим как при
определенни симметричных составляющих по заданным ЭДС источни-
ков питания, так и при иСпользовании прянципа наложения.
Некоторые особеиности применеиия симметричных составляющих.
Общие вопросы их применения подробно рассмосрены в учебной лите-
ратуре [29]. 3десь же необходимо только подчеркнуть, что онн исполь-
зуются как для MrHoBeHHbIx значениЙ величнн, так н для их амплитуд-
ных значений, их аварийных слаrающих при поперечных несимметрнях
(К3 в одной точке) и при продольных несимметриях (разрывы фаз)\
а также при сложных видах повреждений, например обрывах фаз, со-
провождающихся К3 в системе. При использовании метода для р'асче-
та переходных процессов сопротивления выражаются в операторной
форме, а токи получаются в виде их изображений; -по ним получаются
их ориrиналы, выражающие велнчнны в функции временн. В заключе-
ние следует отметить, что для некоторых сложных, специальных случа-
57
ев используются не симметричные, а друrие составляющие [31], а Tal(
же иноrда решение систем алrебраических, дифференциальиых, ОПеРа
торных уравнений и специальные комплексные расчетные схемы с
промежуточными трансформаторами (Н. И. Соколов 11 др.),
Периодические, rармонические, апериодические и затухаЮщие ко.
лебательиые знакопеременные фуикции. Периодической, как извест
но, называется функция f(t), если она определена иа всей действитель.
иой оси и для нее выполняется равенство f(t) f(t+Т), в котором Пе
риод Т выражается через частоту f по формуле T 1/f, rде Т измеря
ется в секундах, а частота f в перllодах в секуиду.
fармоиическая (триrонометрическая) функция (тока, напряжения
и т, д.) часто представляется в виде А А т siп(ооt+ф) или А АтХ
ХСОS(ооt+ф}. [де А т ее амплитуда; 1\.1 начальная фаза; 00 уrловая
(круrовая) частота, равная 2nf и измеряемая в радианах в секунду.
fармоиическую функцию иноrда требуется представить в виде CYM
мы синусоиды И косинусоиды, каждая из которых имеет нулевую на.
чальную фазу. Учитывая, что siп (oot+1\.1) cos Ф sin oot+sin Ф cos oot, по
лучаем A Amsin(oot+1\.1) Aтlsinoot+AJfI2COSoot, rде AJfIl Amcos1\.1 и
.4т2 Aт sin 1\.1, причем A A I + A 2 .
При сложении rармонических колебаний одинаковой частоты (пе-
риода) получаются rармонические колебаиия той же частоты. Если ча
стоты rармоник не равны, но соизмеримы, т. е. относятся как целые
числа, при их сложеиии получается периодическая функция с новым
периодом, Действительно, если, например, Tl 1/30 с, а T2 1/20 с, то
три периода первоrо слаrаемоrо составляют два периода BToporo и че
рез 1/1 О с будут повторяться значения обоих, а значит, и значение их
суммы; период суммарной функции составит, таким образом, 1/1О с.
Кратные частоты являются частным случаем соизмеримых частот
Если частоты несоизмеримы, то сумма их не будет являться периоди-
ческой функцией.
Затухающие колебания представляются выражением вида А е бt Х
Хsiп(ооt+ф), Нули этой фуикции (кривая а на рис, 1,20) повт'::ряются
через равные промежутки време-
ии "С; промежутки времеии между
последовательными максимумами
также постояины и равны. Одна-
ко эти максимумы не находятся
посередине между нулями, а сДВИ-
иуты влево. Поэтому рассматри-
ваемая функция не является пе-
риодической, так как для нее не
существует TaKoro ", для KOToporO'
при любом времени t было бы
справедливо выражение f(t+t) 0:=
Рис. 1,20. К,олебательная (знако-
перемеиная) затухающая (кривая
а) и апериодическая (кривая б)
функция времеин
58
t
o:=f(t). ВеЛИЧИНУ 't" часто иазывают периодом (поскольку для заданиой
кривой а 't" постоянио), а функцию f(t) rармоиической, хотя это
прииципиально иеверно. Более правильно ее можно было бы называть
колебательиой (знакопеременной) затухающей функцией. Рассматри-
ваемые выражеиия для f(t) справедливы и при ш О, коrда оив пре-
вращается в апериодическую (кривая б на рис. 1,20).
1,6. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИй И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
J{ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ ОТ ЭТИХ ПОВРЕЖДЕНИй
Общие даННЫе. Повреждения в электрических системах
чаще возникают на линиях сетей. Повреждения в обмотках
электрических машин, и особенно таких аппаратов, как
трансформаторы и автотрансформаторы, бывают реже,
иноrда имеют специфический характер, обусловленный их
выполнением (например, витковые КЗ), и MorYT сопровож-
датьСя тяжелыми для них последствиями. Основные виды
повреждений приведены в табл. 1.2. Возможны и более
сложные виды повреждений, представляющие сочетание
некоторых из перечисленных. Так, например, при разрыве
провода линии у изолятора упавший на землю конец вы-
зывает появление однофазноrо КЗ Ю 1 ) или однофазноrо
замыкания K;I) (например, в сети с изолированными
нейтралями) с разрывом фазы. Соотношения, подобные
разрыву, возникают также при отказах в работе части фаз
автоматических выключателей (характерны для воздуш-
ных выключателей с пофазным приводом) . В процессе раз-
вития повреждений возможны также переходы одноrо ви-
да повреждений в друrой, чаще с охватом БО.'lьшеrо ЧИС.'lа
фаз. Так, например, K(I иноrда переходят в двойные КЗ на
K (I.I) (1)
землю ДВ , что может быть на линиях или при К 3 В
обмотке машины или аппарата и возникновении Ki ,l) за
счет пробоя на землю на линии Toro же напряжения.
С друrой стороны, внутри однофазных аппаратов MHoro-
фазные КЗ (без земли) практически вообще невозможны.
Ниже в данной rлаве рассматриваются повреждения на
линиях сетей. Особенности повреждений в машинах и ап-
паратах кратко характеризуются в соответствующих rла.
Вах об их защитах. Необходимо, однако, отметить, что ряд
СОотношений, характерных для линий, относятся и к маши-
Нам, и к аппаратам (например, при внешних КЗ, разрывах
фаз и т. д.).
Переходные сопротивления в меСте повреждения. Пере-
59
Т а б л и ц а 1.2
Повреждення
Лннии 11 шины.
изображения
Машнны и аппа-
раты, нзобра-
ження
РазновиДНОСТII и
обозначения
Трехфазные К3
К3 между тремя
фазами Ю )
Трехфазное К3 на
землю K(I,l,l)
К3 между двумя
фазами Ю 2 )
Д Двухфазное К3
вухфазные К3 на землю K(l,!)
Однофазные К3
и однофазные
замыкания на
землю
Разрыв фазы
60
Двойное К3
землю к(l,l)
дв
Однофазное К3
К(I) и однофазное
замыкание на зем-
лю K l)
Однофазное витко-
вое K3 K(1)
в
L
*; ;
* $:
;
i ; tf=;
''' ; ;
: ;
;
1
lJ
с
A
с
8
С
ходные сопротивления Rn в общем случае определяются
сопротивлениями электрических дуr, посторонн х предме
тоН в месте повреждения, опор и их заземлении, а также
сопротивлениями между проводами фаз и землей (напри
мер, при падении проводов на землю).
При замыканиях между фазами переходные сопротив
.1енИЯ часто определяются сопротивлениями дуr. Вольт ам
перная характеристика дуrи резко нелинейная. В течение
каждоrо полупериода сопротивление дуrи значительно из
меияется; при этом форма тока в ней обычно остается
близкой к синусоидальной, так как ток в основном опреде
ляетсЯ сопротивлениями элементов системы. Напряжение
на дуrе в отличие от тока сильно искажается (рис. 1.21, а).
I
J\ "t..
/ \ Р
l'
I I
I ./
"" V
R,4)OM
20
15
10
5
а)
о
8 16 2'1- 32 5)
Периоды,t
Рис. 1.21. Короткие замыкания через открытые электрические дуrи
При рассмотрении работы защит обычно используется
представление об эквивалентном сопротивлении дуrи; при
этом нужно иметь в виду, что дуrа является источником
Высших ra рмоник.
Экспериментальные исследования открытых дуr, прово
дившиеся во мноrих странах, показали, что при токах 1 д
в дуrе в сотни ампер и более сопротивление дуrи (эквива-
лентное значение), являющееся практически активным.
Может в общем случае определяться по выражению R д ==
===Uтlд/I:, в котором U т rрадиент напряжения на ду-
re, В/м; lд ее длина, м.
В отечественной практике на основании исследований
В. В. Бурrсдорфа rрадиент напряжения на дуrе как мало-
6I
зависящий от тока при больших ero значениях принимает-
ся постоянным и равным 1400 1500 В/м, а показатель сте-
пени k=== 1. Тоrда R д , Ом, рассчитанное по амплитудным
значениям, будет
RJf. == и т 1;1./1 т == U т lд/l ,41/ д 10501дl[д, (1.15)
rде [д действующий ток, А.
Напряжение на дуrе в течение полупериода часто име-
ет плоскую форму с коэффициентом амплитуды около 1, 1
1,2. Поэтому сопротивление R д было бы б6льшим при опре-
делении по действующему значению напряжения. При не-
больших токах повреждения коэффициент в формуле (1.15)
УВ'еличивается.
Дуrа имеет наименьшее сопротивление в первые перио-
ды времени возникающеrо повреждения, коrда ток [д име-
ет максимальное значение, а ее длина lд минимальное.
Далее под влиянием ветра, конвекции воздуха и электроди-
намических усилий дуrа удлиняется и ее сопротивление с
некоторыми «провалами», вызываемыми дополнительными
перекрытиями, начинает быстро возрастать (рис. 1.21, б).
При деревянных опорах в случае КЗ на землю через них
дуrа иноrда может поrаснуть даже без отключения повреж-
денноrо элемента; однако, как правило, дуrа ликвидирует-
ся только после отключения КЗ релейной защитой.
В отличие от КЗ между фазами при К3 на землю опре-
деляющими обычно являются друrие слаrающие переход-
ных сопротивлений. Так, например, при перекрытии фазы
.линии на опору Rn может в основном обусловливаться со-
противлением заземления опоры. Соrласно ПУЭ эти сопро-
тивления при токах промышленной частоты и отсоединен-
ных молниезащитных тросах в .летнее время при металли-
ческих и железобетонных опорах не должны превышать
5 20 Ом в зависимости от удельных сопротивлений земли.
При rлухом заземлении тросов на каждой опоре резуль-
тирующее сопротивление заземления опор уменьшается.
Однако в последние rоды на линиях 220 кВ и выше креп-
.ление тросов на опорах выполняется изоляторами с шун-
тирующими искровыми промежутками (для снижения по-
терь энерrии от токов, наводимых в тросах, а иноrда и для
использования тросов в друrих целях) с заземлением на
анкерном участке Bcero в одном месте. При этом приходит-
ся считаться со значительными сопротивлениями заземле-
ния отдельных опор.
Небольшие сопротивления Rn характерны только для
:62
КЗ на землЮ на электроустановках (соrласно ПУЭ сопро
тивлеиие их заземляющих устройств в системах с rлухоза
земленными нейтралями не должно превосходить 0,5 Ом)
Наличие переходных сопротивлений Rn, особенно при
КЗ на землю на линиях, может существенно отражаться
на работе защит и должно y>lитываться при их выполнении.
В частНОСТИ, это осуществляется при устаН02лении для з
щит минимально допустимых коэффициентов чувствитель-
ности.
Короткие замыкания в одной точке. В общем случае К3
в одной точке К трехфазной системы через переходные со-
противления Rn неодинаковых значений может быть пред-
ставлено схемой на рис. 1.22. Здесь и в дальнейшем за yc '
к
A
"-'......
......
8
rv
с
1 к А. 1. 8. 1. c У. А У.8 У. С
J..-
-=-
Rn,3
-=-
Рис. 1.22. Общий случай К3 в одной точке через переходные СОПрО1'ив-
лення
ловные положительные направления токов КЗ принимают-
ся направления токов в фазах линии к месту повреждения,.
в ответвлении КЗ от фаз к земле, а фазных напряже-
ний также от фаз к земле.
Возникшее К3 характеризуется уравнениями
кA == R nA {кА + 3R п . з KO;
l!..кE == R nB {кв + 3R п . з !кО;
l!. кС == Rnc {кс + 3R П,З KO'
Фазные напряжения ИХ в точке К3 и токи [к, проходящие
через Rп, MorYT быть выражены через симметричные со-
ставляющие.
На практике обычно довольствуются значительно более
УПрощенными выражениями, в которых в зависимости от
ВИДа повреждения отдельные Rn принимаются равными ну-
JIЮ, бесконечности или равными между собой. Примеры ти-
63
пичных упрощенных hредставлений повреждений через R и
приведены на рис. 1.23. При этом появляется возможность
учитывать фазные Rп как симметричные элементы системы.
При малых или равных нулю Rп К3 называются метал-
лическими.
А
В
С
R n
т А
. в
. с
Я п Я п R n
5)
А
Z
Rn,.t 2 8)
А
в
с
R n .
-=
а)
а)
Рис. 1.23. Примеры упрощениоrо учета переходных сопротивлений в
месте К3
Расчетные условия. Работа защнтных устройств при К3
в большинстве случаев определяется периодическими сла-
rающими промышленной частоты токов / р и напряжений
Ир, подводимых к реле, а также сдвиrами по фазе <рр меж-
ду ними. Ниже в целях упрощения рассматриваются харак-
теризующие их соотношения
для ненаrруженной линни с
односторонним питаннем
(рис. 1.24) в начальный мо-
мент повреждения. Учет
двустороннеrо питания, на-
rрузок и друrих дополни-
тельных факторов прово-
дится только для некоторых
характерных случаев. Для
выявления правильных фаз-
ных соотношений учитыва-
ются как активные слаrающне сопротивлений элементов
системы, TalK и переходные сопротивления Rи с оrраничени-
ями, рассмотренными выше.
3ащищаемая линия, на которой рассматриваются по-
вреждения, считается имеющей только индуктивное и ак-
тивное сопротивления в разных последовательностях (не
учитываются емкостные проводнмости, характерные для
линий сверхвысоких и ультравысоких напряжений значи-
тельной протяженности). Источник питания условно пред-
t rA
rB Ш 1
" 4 к
rv д'f. 1
X r Х Т "::, RA1X A
Рис. 1.24. Повреждение на нена-
rруженной . инии с односторонннм
питанием
64
ставляется в виде блока reHepaTop трансформатор; по-
следиий имеет соедннение обмоток У/Д и возможность rлу-
xoro заземления нейтрали. Электродвнжущие силы фаз
reHepaTopa l!.!A' !!rB и !jrc считаются приведенными к сторо-
не высшеrо напряжения трансформатора с помощью ero
комплексноrо коэффициента трансформации, предложенно-
ro в 40-е rодЫ Н. А. Мельниковым, и обозначаются соответ-
ственно !!А, .fiB И c. Комплексный коэффициент трансфор-
мации применительно к прямой последовательности nt==
'зо" N. I-ЗО" N
==nе 1 и к обратнои последовательности n2 ==nе ·
rде N номер rруппы соединеннй обмоток трансформато-
ра; например для обычно используемой однннадцатой rруп-
пы У/Д-1l N==11.
В указанных выражениях учитывается переход со сто-
роны У на сторону Д. В рассматриваемом случае переход
осуществляется со стороны Д на сторону У; при этом nl ==
==nе jЗО"N И!:2==nе jЗО"N. Суммарное сопротивление иёТоч-
иика питания принимается реактивным с равными сопро-
тивлениямн прямой и обратной последовательностей. Для
трансформатора реактивное сопротнвление нулевой после-
довательности учитывается равным ero сопротивлению пря-
мой последовательности, что точно только для rруппы из
однофазных трансформаторов.
Трехфазные короткие замыкания в одной точке. Вектор-
ные диаrраммы напряжений и токов фаз при металличе-
ском К3 между тремя фазами ЮЗ) в точке К лннни (на рас-
стоянин, характеризуемом Zл==Rл+jХ л ) приведены на рис.
1.25.
Токи {К при принятых условных положительных направ-
лениях отстают от соответствующих ЭДС Е (рис. 1.25, б)
на уrол <р З)==аrсtg(Хr+Хт+Хл)/Rл. OCTaTO Hыe фазные и
междуфазные напряжения возрастают по мере удаления от
места К3, rде U ) ==0. Напрнмер, на шинах Ш И(3) ==zл Х
Х З) == (Rл+ jХ л)/(З). Фазные напряження и(3)К';пережа.
K К,Ш
юТ соответствующие им токи /(3) на уrол <рл==аrсtgХл/Rл.
Рассматриваемая диаrрамма хаКрактеризует и трехфазные
1\3 на землю, возннкающие, например, при ошибочном
вк ючении под напряжение закороченной линии, находив-
Ulеися в ремонте.
При К3 через симметричные Rn <p 3)==arctg(Xr+XT+
5---..855
65
/"'.,.
+Хл)/(RJI+Rп); U == (Rл+Rп+jХJI) ); )
== аrсtgХ л / (RJI+Rп).
Фазные соотношения между электрическими величина-
ми в рассматриваемых случаях симметричноrо К3 остают-
ся теми же и со стороны reHepaTopHoro напряжения, [де
действуют реальиые ЭДС Er, так как вся диаrрамма ПОВо-
рачивается на уrол, опр еде ляемый rруппой соединения
У/Д трансформатора, до совпадения Е. по фазе с Er (на
j30 0 N).
(Е ш
..... Xr Х Т R л Х Л К
(3)
I/(
а)
к
и (J) E
/(a8
.,
1(3) 8)
/(,a8
2)
fA
1(J) 5)
/(8
Рис. 1.25. Соотиошения электрических величин при металличес.
ком ЮЗ)
Аварийные слаrающие J B В рассматриваемом случае
К3 на ненаrруженной линии равняются 1 3). Иные соотно-
шения получаются для аварийных напряжений. Для места
повреждения К U(3)BB==U 3) E (рис. 1.25,8). При металли-
K, .......
ческом К3, коrда 3) ==0, И в== Е.
Аварийные напряжения в отличие от остаточных на-
пряжений и 3) уменьшаются по мере удаления от места по.
вреждения. Они имеют наибольшее значение в точке К и
равны нулю в нейтралях [енераторов. Поэтому их прош е
66
Bcero определять как падение напряжения от нейтрали до
точки Ш шин подстанции. При принятых условных поло-
жительных направлениях и 3) == 1 ' ( X r+ X ) / (3) Пере -
К,Ш,ав т к'
ходные сопротивления Rп, как видно из выражения. для
.aB' на значение уrла между B и B не влияют.
Это, очевидно, будет справедливо и для дрyrrих аварийных
составляющих (обратной, нулевой). Поэтому уrол <р i ) Все-
[да близок к ( 900) или 2700 (рис. 1.25,2), даже коrда
место включения защиты удалено от [енераторов и учиты-
ваются активные сопротивления лИний и Rп.
Степень опасности Toro или друrоrо вида К3 на линиях
характеризуется прежде Bcero влиянием на устойчивость
системы непосредственно на работу ее потребителей. По-
этому К( ), характеризуемые наибольшим возможным сни-
жением напряжения прямой последовательности. (у места
К3 до нуля), являются наиболее тяжелыми. Однако, учи-
тывая малую вероятность этоrо вида К3 в сетях BblcoKoro
и особенно cBepxBblcoKoro напряжения, имеющих обычно
rлухозаз:мленные нейтрали, за расчетный (при определе-
нии устоичивости) принимают следующий за К(З) по тяже-
сти вид К3 Ю 1 ,1) (см., например, [30]).
Двухфазные короткие замыкания в одной точке. Рас-
сматриваются следующие разновидности двухфазных К3
(см. табл. 1.2): Ю 2 ), Ю 1 ,1) В системе с изолированными ней-
тралями и К(1,1) в системе с rлухозаземленными нейтраля-
ми. u Повреждение K(1,I) в разных точках (Ki .I» как слож-
ныи вид К3 рассматривается отдельно.
Короткое замыкание между двумя фазами. Векторная
диаrрамма полных напряжений и токов фаз при металли-
К (2)
ческом ве в точКе К линии рис. 1.24 приведена на рис.
1.26, а. rраничные условия дЛЯ Ю 2 ): 1 внеповрежденной
фазе А отсутствует 1 (2) == [(2) И(2) == И (2) И(2) == О То -
, KB KC' KBC кВ Ke .
ки определяются ЭДС BC==!!B !!C, действующей в контуре
их циркуляции. При принятом равенстве сопротивлений
ПРЯМой и обратной последовательностей ток 1(2) отстает от
Е KB
BC на уrол cp 2) ==<p 3). Фазное напряжение И ==ЕА, фаз-
НЫе напряжения И (2) == И (2 е ) == 0,5EA, пос ко льк у С у мма
И(2) KB к
KA + '::! '1з + t во всех точках системы, в том числе и в
точке К, остается равной нулю.
Напряжения в нейтралях [енератора и трансформатора
(если бы даЖе нейтраль последнеrо была не заземлена),
5*
67
как и при нормальной работе, aBHЫ нулю. По мере удале-
ния от места повреждения ) остается неизменным, Ha
пряжения поврежденных фаз изменяются. Например, на
шинах Ш
и(2) == и(2) + ( R + , 'Х ) /(2).
к.шВ KB л л KB'
и(2) == и(2) + ( R + jX ) /(2).
к.шС кС. Л Л KC
, .
1(2)
KC
€BC
Ев
€BC
[(Z)
K в
о)
Rп*О (ZJ z
A и. (z) и. (2) Z70 0 1.1( z
ш К,Ш1 /(1
Н lJ (Z) lJ (2)
К,ШZ /(2 (zl
б) 2) u/(Z
Рис. 1.26. Соотношения электрических величин при К(2)
Напряжение и BC ==2(Rл+jХл) 2h' Оно опережает ток
: на уrол <рл, определяемый, как и при ЮЗ).
Следует отметить, что фазные напряжения U 2 B и
и(2) С У четом Toro, что m =I=m (2), оказываются неравны-
к.шС 'у 'у с
ми, причем напряжеНИе опережающей фазы В больше, чем
отстающей фазы С.
Еще большие искажения векторных диаrрамм напря-
жений возникают при повреждениях через Rn. При этом,
как было показано еще в начале 30 x rодов, учет Rn при
повреждениях обусловливает изменения напряжений фаз
по дуrам окружностей. Учет равных Rn в фазах В и С ocy
G8
ществляется включением в месте повреждения сопротивле-
ния 2Rn.
Наиболее простые векторные диаrраммы напряжений
получаются при равных уrлах сопротивлений отдельных
элементов системы до то ки К, коrда <Рл==<р 2). В этом слу
чае (рис. 1.26,6) концы векторов напряжений фаз В и С по
мере удаления от места повреждения скользят по прямой,
соединяющей концы векторов /iB и l!...c, а напряжение U hc
совпадает по фазе с Еве.
Использование мётодов симметричных составляющих
дает простую возможность более rлубокоrо рассмотрения
соотношений при Ю Z ).
Напряжение прямой последовательности И ) имеет на-
именьшее значение в месте повреждения и возрастает по
направлению к источнику питания (рис. 1.26, в). Н апряже-
ние обратной последовательности И Ш, наоборот, макси-
мально в точке повреждения и снижается в том же направ-
лении. Уrол сдвиrа <p 2) ==!::!K2 K2 при K(Z),KaK и при друrих
видах несимметричных 1(3, не зависит от Rn, поскольку оп-
ределяется только сопротивлениями элементов системы, и
близок к 2700 (или 900) (рис.l.26,е).
Полные аварийные слаrающие фаз и их отдельные по-
следовательности определяются с учетом соображений, при-
веденных выше. В частности, необходимо отметить, что
аварийная слаrающая напряжения прямой последователь-
ности в отличие от И ;), } aK и при К(3), имеет наибольшее
значение в месте 1(3 и образует с IШв уrол, не зависящий
от Rn. Полные аварийные слаrающие внеповрежденной
(особой) фазе отс у тств у ют, нап р име р И(2) == И(2)
KA ав кА
!!.KA раб==О. В поврежденных фазах они есть.
Иопользование симметричных составляющих дает, в ча-
стности, простую возможность проследить, как MorYT изме-
няться электрические величины при имеющемся обычно
неравенстве сопротивлений прямой и обратной последова-
тельностей reHepaTopoB системы. Только при XKI == XK2 ,
как это принималось выше, напряжение неповрежденной
фазы И А .!! А. ЭТО сказывается и на напряжениях по-
врежденных фаз; например, для точки Ш И(2) == И(2) ==
=== O 5И(2) к.шВ к.шС
, к.шА' а не 0,5EA.
При несимметричных 1(3, к которым относится и Ю Z ),
. СОотношения между l!...., (2) И 1<2) на стороне reHepaTopHoro
69
напряжениЯ', [де действуют Er, оказываются весьма отлич
ными от рассмотренных для стороны с приведенными ЭДС
Е. Формально это может быть объяснено тем что комп
,
лексНЫе коэффициенты трансформации для прямой и об
ратной последовательностей различны.
Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с изо
ли ованными нейтралямlt. Двухфазные КЗ на землю K(1,I)
в сетях с изолированными нейтралями или заземленными
через дуrоrасящие реакторы (в нашей стране это сети
с Ином 35 кВ) отличаются от К(2) в основном только тем
что поврежденные фазы, например В и С, в месте металли
ческоrо КЗ принужденно приобретают потенциал земли;
появляется напряжение нулевой последовательности, прак
тически одинаковое во всей сети. Нейтраль системы (TpaHC
форматора) получает по отношению к земле смещение
И н ==0,5Е А , а напряжение неповрежденной фазы А возра-
стает до 1,5Е А . Значения токов поврежденных фаз, между-
. фазных напряжений и их фазные соотношения остаются
такими же, как при К(2). За трансформатором, в системе
reHepaTopHoro напряжения смещения нейтрали [енератора
не происходит, так как трансформируются только составля
ющие прямой и обратной последовательностей.
Двухфазное короткое замыкание на землю в сети с rлу-
хозаземленными нейтралями. Двухфазные КЗ на землю
К(1,!) в сетях с rлухозаземленными нейтралями (см. рис.
1.24) MorYT сопровождаться сильным снижением как меж
дуфазноrо, так и фазных напряжений поврежденных фаз
(в месте К3 дО нуля при Rп==О и Rп,з==О) и появлением
составляющих нулевой последовательности не только' в
фазных напряжениях (как в сетях с изолированными ней
тралями) , но и в токах. Соотношения электрических вели-
чин при этом Виде повреждений наиболее просто выявля
ются при использовании метода симметричных СОСтавляю
щих. .
Примерный вид векторной диаrраммы полных токов и
напряжений дан на рис. 1.27. Уrол б между токами 1 I) И
1 I) поврежденных фаз в общем случае изменяется в широ-
ких пределах: 600<б 1800, причем верхний предел OTHO
сится к случаю обычноrо К(2), коrда ZK :E ==00 а нижний
(нереальный) соответствует Z кО:Е --+0. Ток, п'роходящий
через Rп з в землю 31(1,1) == 1(1,1) + 1(1.1)
, , , KO KB KC'
Соотношение между ,I) и ! kl), появляющимися при
70
Рис. 1.27. Соотношения
электрических величин
при Ю1,1)
и (1,1)
/(,шА
/((1,1) С учетом Toro, что в rлухозаземленной нейтрали транс-
форматора Ин==о, определяется для шин подстанции и мес-
та пов р еждения вы р ажениями И(I,I) jXTI(1,I) и И(I,l)==
к,шО KO KO
== [Rол+j (хт+хол)]{ ,I), [де Хол и Rол реак)'ивное и
активное сопротивления нулевой последовательности линии
до места повреждения К.
Как и для друrих составляющих, переходное ,сопротиВ-
леНН,е Rп,з на землю в приведенные выражения 'для И I,l)
не 'вхо д ит и У rол m(1,I) ==И(1 1) 2700.
'у О к,шо кО
Следует такЖе отметить, что существует определенное
соотношение между 1 I,I) и lb l ) (при однофазном КЗ), рас-
смотренное ниже и облеrчающее проведение расчетов за-
щит, использующих составляющие нулевой последователь-
ности.
Соотношения между И 1,I) и l(l,l)определяются подобно
2
соотношениям дЛЯ I,I) И { I,l) С той разницей, что отсчет
ведется от нейтрали [енератора, имеющей потенциал, рав-
ный нулю. Поэтому, например, для шин подстанции
U(1,l) == J ' ( X + Х ) 1(1,1) и У rол m(I,I) == И(1,I) 1(1,1) 2700
к.ш2 r т K2 '1'2 .ш2 K2 .
Из всех видов несимметричных двухфазных КЗ рассмат-
риваемые характеризуются наименьшими значениями на-
пряжений прямой последовательности и поэтому являются
наиболее тяжелыми (расчетными) по условиям сохранения
устойчивой работы системы. .
Однофазные короткие замыкания в сети с rлухозазем-
Jlенными нейтралями. Однофазные КЗ Ю1) являются наи-
более частым видом повреждений в сетях rлухозаземленны-
Ми нейтралями. С таким режимом заземления нейтралей в
нашей стране работают сети 110 кВ и выше. В сетях
330 кВ и ВЫШе обычно заземляются все нейтрали. В сетях
71
с rлухозаземленными нейтралями отношение результирую
щих сопротивлений Хот./Хlт. <3+4. Это отношение вблизи
шин станций и подстанций, на которых MorYT устанавли
ваться мощные автотрансформаторы, всеrда имеющие rлу
хозаземленные нейтрали, бывает значительно меньшим.
Иноrда при проектировании возникают даже случаи, коrДа
Xoт. Xlт. и ток однофазцоrо К3 превосходит ток трехфаз
Horo К3, что может оказаться неприемлемым по условиям
выбора коммутационной аппаратуры. Для уменьшения TO
ков К3 на землю, а иноrда также для улучшения условий
ЕА Z/(1E Rn
К
I/(1
Z/(2E К R n
I/(2
Z/(OE К R n
I/(o а)
';;"
Рис. 1.28. Соотиошения электрических величин при КО) через Rп
работы релейной защиты сетей (примерной стабилизации
уровня /0 при разном числе включенных трансформаторов)
часть нейтралей трансформаторов может разземляться, ec
ли их выполнение это допускает (например, при И НОМ ===
=== 11 О кВ).
Для выявления соотношений электрических величин при
K(l) целесообразно использование метода симметричных
составляющих. Комплексная схема последовательностей,
соответствующая рис. 1.24, при учете, что особой является
фаза А, имеющая в ТОЧКiе К переходное сопротивление Rn
на землю, приведена на рис. 1.28, а. fраничные условия ха
Р акте р из у ются соотношениями / (1) ===0' / (I) ===0' И(I) ===
KB ' Ke ' кA
===RrJ . соответствии с комплексной схемой ) == ! ===
=== i === Е/[ 2Rlл+Rол+3Rп+j[2(Хr+ХТ+Х1Л)+Хт+Хол] J
и /(1) === 3/ (1)
KA KO'
Соотношения между напряжениями и токами нулевой и
обратной последовательностей определяются, как для 1«1,1),
Нап р име р И(l) === J 'XT/(l). на У rол межд у И(1) 1" 1(1)
, К,шо KO ' к.шО КО
72
Rп не влияет, и он примерно равен 270°. Необходимо только
отметить, что прямо из комплексной схемы замещения на
,рис. 1.28, а не видно, [де потенциалы 1) и .!! 1) имеют HY
левые значения Им соответствуют, исходя из друrих (фи
зических) представлений, начала схем нулевой и обратной
последовательностей, т. е. нейтраль заземленноrо TpaHC
форматора (для .!!О) инейтраль reHepaTopa (для И 2 ). На
векторНОй диаrрамме (рис. 1.28, б) / отстает от Е А на
уrол <p 1)== arctg[2(X r + Х Т + Х 1л ) + Х Т + Х ол ]/(2Rlл+R ол +
+3Rn) .
Фазное напряжение иЯ) при приближении к источнику
питания возрастает, и в месте Ш установки защиты
/...........
И А === И +[2(Rlл+jХlл)+Rол+jХол] ). Уrол
вместе К3 К cp I)==O, а у шин cp ) ==аrсtg(2Х 1л +Х ол )/(2RIЛ+
+Rол+3Rп) .
Несколько более сложно определяются напряжения He
поврежденных фаз В и С. Только в частном, практически Ma
лореальном случае равенства сопротивлений во всех трех
последовательностях они остаются равными f!!з и e С уrлом
сдвиrа 120°. Практически же они сильно искажаются и MO
rYT быть как меньше, так и больше напряжений при HOp
мальной работе. Примерный вид этих напряжений показан
на векторной диаrрамме на рис. 1.28, б в предположении,
что результирующее сопротивление нулевой последователь
ности больше, чем прямой последовательности; при этом
напряжения I I и I и I соответственно больше ЭДС
IEBI 'и IEel. При К3 на шинах Ш реультирующее сопро
тИвление нулевой последовательности Х Т будет меньше,
чем прямой последовательности X r + Х т , и напряжения
\ И(l) I === I и (1) I и I и (I) I === I и (1) I соотвеТС1'Венно будут
KB к,шВ Ke к,ше
меньше ЭДС I BI и I el.
При определении токов К3 часто учитываются только
реаКТИВНЫе сопротивления элементов системы, а Rn прини
маются равными нулю. В этом случае токи V и в Mec
те К3
/(1) == /Щ === ( 1/3 ) /(1) === E/ J ' ( 2Х + х ) .
K2 .KO KA кlт. кот.
Отношение токов нулевой последовательности в месте
ПОвреждения при K(l) и K(l,1) (в случае Х к1 т. ===ХК2т.)I / / kl)==
73
;::::(X KI 1: +2Х кО 1: )/(2X KI 1: + Х КО 1:) == (1 + 2XK01:/XKI1:)/(2+
+X K0 1:/ X KI1:) .
При Х КО 1: >Х К1 1: I ) >/ kl) и, наоборот, при Х кО 1: "
<Х К1 1: l k1) >IШ. Как было отмечено еще в 30 e rоды в
еРзиУ ТЭП О. М. Боrатыревым, эти соотношения для К3
Щl одиночных линиях справедливы и для всех ветвей схем
нулевой последовательнрсти, поскольку коэффициенты TO
кораспределения в схеме нулевой последовательности не
зависят от вида повреждения. Подобные соотношения МО-
[ут быть получены и для отношения токов обратной после-
довательности в месте КЗ и в отдельных ветвях [16].
Приведенные выражения дают возможность оценивать
расчетные условия для выбора параметров и определения
чувствительности защит,. реаrирующих на составляющие
1:1) t -=
Рис. 1.29. Предельный случай распределення токов при кт
токов нулевой или обратной последовательности, произво-
дя расчет только одноrо вида КЗ К(1) или Юl,l). Необхо
димые уточнения значений токов 10 для случаев КЗ на ли-
ниях с взаимоиндукцией приведены в [29].
В общем случае при К(1) по неповрежденным фазам, да-
же при отсутствии токов наrрузки, проходят токи КЗ.
в пределе они достиrают значения тока КЗ в поврежден-
ной фазе. В этом случае ток li l ) ==31 ( , проходящий через
заземленную нейтраль понижающеrо трансформатора Т2
(рис. 1.29), принужденно (поскольку токи в ero обмотках,
'Соедине.нных в треуrольник, должны быть равны) распреде-
ляется между тремя фазами линии на три равные состав.
ляющие IШ, являющиеся полными токами фаз с этой ее
стороны. За местом повреждения К, в сторону повышаю.
щеrо трансформатора Т 1 с изолированной нейтралью, токи
в неповрежденных фазах остаются такими Же, как и со сто-
роны Т2. Однако они уже не являются токами нулевой по-
следовательности, а содержат составляющие только прямой
74
fI обратной последовательностей, так как со стороны Т 1
J(l) +1 (1) +/ ) ==0.
А B
Однофазные КЗ представляют собой тяжелый вид по-
вреждения, хотя и менее опасный для системы, чем MHoro-
фазные КЗ. Поэтому К(1) должны отключаться также по
возможности быстро. Защита может действовать на отклю-
чение всех трех фаз линии или только одной поврежденной
с последующим ее автоматическим повторным включением.
Последний способ оказывается целесообразным для маrи-
сrральных линий (преимущественно одноцепных) при на-
личии У выключателей пофазноrо привода и в некоторых
друrих случаях. При этом, как показывает опыт эксплуата-
ЦИИ, повреждения в большинстве случаев самоликвидиру-
ются. В сетях с UHOM 300+500 кВ он применяется практи-
чески всеrда, в сетях 110 220 кВ реже.
Для защит от Ю1) часто используются составляющие HY
левой последовательности, так как при этом обеспечивают-
ся независимость от рабочих токов и напряжений и некото-
рые друrие преимущества.
Четырехпроводные распределительные сети 380 В так-
же обычно работают с rлухозаземленными нейтралями.
Соотношения токов КЗ в питающих их трансформаторах
при К(1) на землю или четвертый (нулевой) провод даны
нИЖе.
Двойиые короткие замыкания на землю. Двойные 1\3 на землю
J(i .l) учитываются только в сетях с нейтралямн, нзолированным"! нли
заземленными через дуrоrасящие реакторы. I\ак уже отмечалось ранее,
с таким режимом заземлення нейтралей в нашей стране обычно ра-
ботают сети с UHo,,; 35 кВ. Сопротивления еМКQстей фаз по отношенню
J( земле и дуrоrасящих реакторов относительно великн н при определе-
нии токов 1 . 1) не учитываются.
Возникают K .l) обычно в местах с ослабленной нзоляцией. По
мере повышения качества оборудования н условий эксплуатацни отно-
ительное число Ki ,1) снижается, и в настоящее время онн являются
достаточно редким видом повреждення. Однако при выполненнн релей-
ной защнты сетей их учет считается необходимым. В сетях с rлухоза-
зем, енными неЙтралями (и НО м;;;;. 1 1 О кВ) их практнчески не бывает, так
RaK однофазные I\З сопровождаются существенно меньшими перена-
lIРяжениями на неповрежденных фазах.
В случае К .1) на линнях, отходящнх от общнх шин (рис. 1.30, а),
При отсутствин взаимоиндукцин между ними определен не токов н на-
ПРяжений может осуществляться простейшим образом с учетом Toro,
'ITO токи, как это подчеркнвалось еще Р. Рюденберrом в 20-е rоды,
75
проходят под проводами повреждеииых линий. Просто определяютс
соотношеиия на передаче с дВусторонним питаиием, сопротивлеиие Ко.
торой велико по сравиению с сопротивлениями систем Zэк, принимаеМЬj.
ми равными нулю (рис. 1.30, б). Тоrда для трех коитуров прохожденн
токов имеем Е EC==ZL /(I,I)+Z ( /(1,1)+/(1,1» ) ; Е.....
B л A М,Л B C '.::в
Е == Z /(1,1) + Z ( /(1,1) + /(1,1» ) и Е Е == Z /(1,1) I
C Lл B М,Л A c B C Lл C ,.
+z ( /(1,1)+/(1,1» ) , откуда /(1,1)==/(1,1)==/ == ( Е E ) / ( Z ..:...
M,. A B , A B c В С Lл I
+ 2 Z ) == ( E B E c) 'jZ o ' rде Z L и Z соответственно ёопротивле.
M,oI' л л М,Л
НИЯ прово,il. земля и сопротивление взаимоиндукции между проводами.
А 8 С
/ 1 /,f/L/f,f}__ 1 (1,11
А a { o
Ш Ш
Ка
Е
I( f)
/( 6
r 6
'-=-
L
к['
iI (1,1)
' KcC
а)
о)
Рис. 1.30. Двойные замыкания на землю K ,I)
Таким образом, в рассматриваемом предельном случае токи во
всех трех фазах равны, т. е. имеют только составляющие нулевой по-
следовательности. В реальиых случаях необходимо считаться с нали-
чием тока в неповреждениой фазе, за исключением случаев, подобных
данному на рис. 1.30, rде он равеи нулю. Двойиое 1(3 на землю отно-
сят к сложиым, так как оно характеризуется возиикновеиием несим.
метр ии (поперечной) в двух местах электрической сети. Необходимо
отметить, что большой вклад в анализ сложных повреждений разноrо
вида (в том числе и K ,I) ) был внесен в начале 30-х rод'ов Н. Н. Щед.
рииым, И. М. Марковичем, а в дальнейшем А. Б. Чернииым, е. Б. Ло-
севым и друrими советскими специалистами. Соотношения выявлялись
при этом С использованием метода симметричных составляющих, а в
дальнейшем и друrих составляющих [31].
При K ,I) напряжеиия между поврежденными фазами в отличие
от фазных во всех точках сети, в том числе и в местах повреждения,
имеют конечные значения, умеиьшаются при сближении этих мест и при
их совпадении равны иулю, а повреждение К ,I) превращается iJ
/((1,1) В одной точке. едвиr по фазе qJ(I,I) и(1,I)/(I,I) имеет сильно
Одв OДB OДB
76
flзменяющиеся значения, отличающиеся от qJg!) ""'qJgl,l) ""' 900 в связи
с влиянием переходных сопротивлений Rп на землю.
В случае Kl ,I) на разиых участках сети обычно представляется
целесообразным автоматически отключать только одно место пробоя,
при этом предполаrается, что пробой во втором месте может сю.юлик-
видироваться (например, в воздушных сетях) или будет устранен об-
служивающим персоналом (если остается устойчивое К I) ). Обеспече-
lIие отключения по возможности одноrо места пробоя (примерно в 2/3
случаев) осуществляется включением защиты на трансформаторы тока
только двух фаз. Надежность электроснабжения потребителей при та-
ком способе ликвидации повреждения может повышаться.
Продольиая несимметрия. Продольная несимметрия наиболее яр-
ко проявляется при кратковременном или длительном разрыве одной
или двух фаз. I(ратковременные разрывы одной фазы возникают обыч-
110 при отключении в случае к(l) только поврежденной фазы и ее ав-
томатическом повториом включении (ОАПВ).
Длительные режимы с работой двумя фазами, а иноrда и одноЙ
фазой, возникают, например, при пофазном ремонте линиЙ в сети с rлу-
хозаземленными нейтралями, при отказе отдельных фаз выключателя,
а также в некоторых друrих случаях.
Ниже рассматривается линия, связывающая две системы, имеющие
траисформаторы с rлухозаземленными нейтралями (рис. 1.31). Эквн-
валентные эде rеиераторов Есм и ErN систем М и N, приведенные к
сторонам с напряжением рассматриваемой линии, равны Е ы и EN.
Разрывы рассматриваются на фазе А или на фазах В и С со стороны
М линии. В обоих случаях особой является фаза А.
Етм
ШМNШ
Етн
"'::"
-=
Рис. 1.31. Разрыв одиой фазы
Схема с разрывами приводится к схеме без разрывов путем вве-
дения в разорванные фазы источников продольных ЭДС и L, выбирае-
мых так, чтобы токи в этих фазах оставались равными нулю.
Следует иметь в виду, что при продольиой несимметрии в отличие
от поперечиой как эде, так и сопротивления, отнесениые к точке не-
Симметрии, складываются соответственно последовательно, а ие парал-
JJельио.
77
Прн определении токов и напряжений в случае разрывов фаз воз-
можно, как и при поперечной иесимметрии (К3 в одной точке), испо.Нь.
зоваиие КО lЛлексных схем последовательностей (для особой фазы) с
заданными эквивалентными ЭДС [енераторов или применение ПРИИЦИПd
наложения на наrрузочный режнм, предшествовавший разрыву, ПОСЛе-
дующеrо аварийноrо. В этнх схемах подобно схемам при поперечных
несимметриях пропадают источники ЭДС U L ,
При практических расчетах используется тот способ, которыЙ ЯВ.
ляется более удобным для рассматриваемой задачи, Например, при
иеобходимости выявления зависимости токов от уrла расхождения фаз
ЭДС двух частей системы с разрывом одной или двух фаз связываю.
щей их динии применяют первый способ; если известен ток наrрузки
лииии перед разрывом или имеется иесколько rенерирующих ИСТОЧНf!.
ков, часто :Jучще использовать второй способ. .
Разрыв одиой фазы. Разрыв одной фазы А характеризуется сле.
дующими rраиичными условиями: ILA IL\+IL2+ILo O и ULB ULC
o. Эти условия аналоrичны соотйОшениям при К3 КЩ). Симметрич-
ные составляющие продольиоrо U LA получаются равными '!.и ==
== '!.L2== 1!..LO == 1!..LA /3, причем при Ll.E == L2.E == !.LO.E !!..LA ==
== .E . С учетом изложеииorо по.лучаем !и == ( .E U Ll )/lL1.E ==
== { З) 1!..иl!.и.Е' !..L2 == r!.L2/!.L2.E' !..LO == !:!.Lo/ LO.E и далее ILA
== О == .E I!.Ll.E 1!..Ll/ Ll.E 1!.. L2 /!.L2.E '!.Lol!.LO.E' откуда .LA
== 3 '!.Ll == (3 .E/.!..Ll.E)/( 1/ !.Ll.E + 1/ !.L2.E + 1 /.!.LO.E)'
Учитывая, что fi.E1 !.Ll.E == ! З) , получаем !.! [А' выраженное че-
рез ток наrрузки: f!..LA ==3 !.. З) I( 1 / Ll.E + 1 I!L2.E + 1 / LO.E)'
Полученные выражения дают возможность определеиия составля-
ющих тока в режиме разрыва: Ll == ! З) ! З) I( 1 + !.Ll.EI!.L2.E +!.и I
I!.LO.E); !..L2 == !!. L2 /!.L2.E == ! З) I (!.L2.E I Ll.E + 1 + !.L2.E1 !.:LO.E);
{LO == LO/!.LO.E == ! З) / (!.LO.E/ Ll.E + !.LO.E/ L2'i:. + 1).
в выражении для ц второй член определяет аварийиую слаrаю.
щую тока прямой последовательностн.
Релейная защита часто ВЫПOJlияется реаrирующей на симметричные
составляющие обратной и нулевой последовательностей токов и напря'
жеиий. Поэтому важно знать, как она будет действовать при разрыва х.
которые, как и К3 на землю, сопровождаются появлением составляю'
щих указанных последовательиостей.
Составляющие ILA вдоль лииии при неучете ее поперечных емко-
стей естественно остаются иеизменными. Примерные изменения состав-
ляющих напряжения U LA вдоль элементов системы в предположеиии
равенства уrлов их сопротивлений показаны на рис. 1.32. Разность нз-
78
пряжений с двух сторон от места разрыва для всех последовательио-
стей равна U LA/3, хотя сами иапряжения последовательиостей имеют
разные значеиия. Напряжения в равиопотенциальных точках схем за-
мещения отдельных последовательиостей за сопротивлением системы
ра виы нулю.
Рис. 1.32. Изменение составляющих продольиых иаприжений по эле-
ментам системы
На рис. 1.33, а представлеи частный случай разрыва фазы А на
выключателе линии, питающей наrрузку.
Е М Ш .11. А=О HazpY3K{J,.
M N
I:8;ILC J..
'* =.:::.. -=
13 а)
Д! ш А
.J!i ш С .J!i ш В
о)
и! N А
Х
J!i N С .J! N а
8)
х
U i N C=.J!i ш С . .J!i N g=.!!i ш 8
z)
Р ких вели чин П р и Р аз р ыве одной фа-
ис. 1.33. Соотношения электричес
зы на линии, питаюшей наrрузку
79
На рис. 1.33, б z показаиы ВОЗМОжиые векториые диаrраммы иа.
пряжеиий, характеризующие рассматриваемый разрыв. Напряжеиие
U LшА фазы А иа шииах источиика питаиия сохраияет зиачеиие, близ
кое к рабочему напряжению UщАраб предшествующеrо разрыву режи
ма (рис.1.33,б). Напряжение той же фазы А за разрывом ULNA (рис.
1.33,8) будет отличаться от U LшА на величину U LA , пропорциоиальную
току наrрузки I 3) в рабоче м режиме (ULNА:ULША ULА), и иметь
коиечиое значеЮiе. Это определяется иаведением в фазе A ЭДС, COOT
ветствующей напряжеиию в обмотке иизшеrо напряжения понижающе
ro трансформатора, соедииениой в треуrольник При холостой работе
линии (IH O)ULA O и ULNА UШАраб (рис. 1.33,с). Таким образом,
иапряжения фазы А с обёих сторон разрыва оказываются одинаковы-
ми. Напряжения фаз В и С с обеих сторон места разрыва, измеияясь
по сравиеиию с U Раб В зависимости от значения l н , во всех режимах
Qдииаковы: ULшВ ULNВ и ULшС ULNС (рис. 1.33,б z).
При принятом положительиом иаправлении тока в земле l а , совпа-
дающем с направлеииями токовl в иlс,lз (Iв+lс). CYMMaIA+I B +
.... ...... ...
+lc /B+lc 3/0 (ток IA O, однако, имеет составляющие, в том числе
10, не равные нулю). Наличие 10#-0 определяет уrол 181с, меньший 1200.
Следует отметить, что в рассматриваемом случае разрыва одной
фазы на лииии с одностороиним питанием к потребителям подводятся
три :\Iеждуфазных напряжения, образующих треуrольиик с конечиой
площадью, и наrрузка, как типа осветительной, так и типа двиrатель-
ной, будет продолжать работать при условии, что составляющие обрат-
ной последовательности имеют для последиих допустимые пределы.
Уrловые соотиошения между составляющими иапряжеиий и то-
ков при неполиофазных режимах. Питаиие измерительных орrаиов
устройств релейиой защиты осуществляется от первичиых измеритель
ных преобразователей тока (траисформаторов тока т А и иапряжения
TV).. Место включеиия Т А со стороиы шин или после выключателя в
стороиу лииии иа уrловые соотиошеиия между составляющими токов
и напряжений при разрыве значения не имеет, поскольку составляющие
-токов одинаковы с обеих сторон разрыва.
Место включения TV на шинах (рис. 1.34, а) или за выключате-
. eM иа линии (рис. 1.34, б) может существенио влиять на указанные
выше уrловые соотношеиия. Уrловые соотношения при использовании
для защиты составляющих нулевой или обратной последовательиости
и питании ее от TV со стороны шин в случае разрыва в направлеиии
от шин в линию (разрыв иа самой линии или иа фазах выключателя
при ero недовключеиии или иедоотключении, рис. 1.34,8) наиболее про-
'80
сто определяются исходя из равенства нулю составляющих напряжеиия
нулевой последовательности в заземленной нейтрали траисформатора
подстанции и составляющих обратной последовательиости в нейтра-
лях rеиераторов. Соответствующие напряжения на шинах оказывают-
ся равными ULшо Zтоl LO и U Lш2 ZС21 L2, rде ZTO сопротивле-
ине иулевой iЮследовательности трансформатора, а .ZC2 сопротивле-
ние обратной последовательности блока rенератор траисформатор; yr-
лы этих сопротивлеиий, как это уже принималось при рассмотрении
несимметричных КЗ, меньШе или равны 900. Поэтому, прииимая за ис-
ТА
tU
. @т" Шj 5)
а)
Zc2
л
А В С
lLO
IL2
М N
Z-rО
м
l!1.ШО
Jl1. ш2
8)
N
Jl1.ЛО
Jl1. л2
2700
2700
!!.1. л2
11.2
tll1. лО
Q 90 0
J1.O
!!.1. шО а)
.!!.1.щ/J
""900
!!./.,шZ
Ь2
. д" шо
2)
Рис. 1.34. Соотиошеиия токов и напряжений при разрыве фазы линии
в одном месте
:Кодиую составляющую ток нулевой или обратной последовательиости
КОмплекса тока 1 LA, получаем векториые диаrраммы, изображеииые
На рис. 1.34, с. Yr:bl и:::JLО и OL2 близки к 900. Эти уrлы не
зависят от принятых условных шшравлений токов 1 LO И 1 L2, так как
с изменением знака токов однозначно изменяются и знаки иапряжений
6 855
81
U LшО И U Lш2. На уrловые соотношения не влияет также направление
передаваемой по линии мощности.
При этом следует иметь в виду, что расположение векторов токов
I LO и I L2 И соответствующих им напряжений U LO и и и по отиошению
к векторам полных рабочих напряжений U шА ;; и Uш;"N иа шинах под-
станций будет зависеть от направления рабочей мощности, передавае-
мой по линии.
Из изложенноrо следует, что в рассматриваемом случае установки
TV на шинах при разрыве в любом месте защищаемой . инии уrловые
соотношения между составляющими токов и напряжений иулевой !I
обратной последовательиостей получаются такими же, как и при К3
на защищаемой линии в полнофазном режиме. Поэтому измерительные
opraHbl защит линий, выполненные реаrирующими на уrловые соотно-
шения составляющих нулевой и обратной последовательиостей, при
разрывах на линии будут функционировать так же, как и при К3 на
ней. Физический с ысл заключается в том, что в обоих случаях источ-
ник несимметрии (поперечной или продольной) находится в зоне дей-
ствия измерительиых opraHoB защиты. Указанное может приводить, без
принятия необходимых мер, к недопустимому отключению линии, на-
пример, быстродействующей защитой при кратковременных несиммет-
риях, возникающих вследствие разновременности действия фаз выклю-
чателя.
При питании защит от TV, включенных на линии, и разрыве непо-
средственно на последней (не на ее выключателе) измерительные opra-
ны защит будут вести себя таким же образом, как и в рассмотренном
выше случае включения TV на шины.
Друrие соотношения в случае включения TV иа линии получаются
при разрывах фаз на выключателе. В данном случае напряжеиия
U Lло и U Lл2 (рис. 1.34, д) оказываются отличными соответственио от
U Lшо и ULш2. ОНИ разнятся от последних на значение составляющих
апряжения U L в месте разрыва, но MorYT определяться и как падеиия
напряжений от соответствующих нейтралей с противоположной сторо-
НЫ линии с разрывом. Считая в первом приближении все сопротивления
реактивными, получаем, как это иллюстрируют диаrраммы напряжеииЙ
на рис. 1.34, д, что U Lло И U Lл2 по фазе отличаются от U LШО и U LШ2
на 1800, как и напряжения н-а шинах противоположной подстанции-:- Та-
ким образом, при использовании U LлО И U Lл2 измерительные орrаны
со стороиы данной подстаиции фиксируют разрывы на выключателе как
внешние К3, т. е. на шинах подстанции.
Выше при включении TV иа линии рассматривался разрыв на вы-
ключателе только одной стороиы линии. При двух разрывах, располо-
женных по разные стороиы от TV (например, в цикле пофазноrо АПВ),
82
уrловые соотношения получаются друrими. Как показали исследования
в СР3иУ ТЭП (А. Б. Чернин и др.), применительно к opraHaM, реаrи-
рующим на уrловые соотиошения составляющих нулевой или обратной
последовательности, их функционирование оказывается зависящим от
иаправления мощности наrрузки подобно работе под воздействием мощ-
иости иаrрузки при внешних К3 opraHbl срабатывают только с одной
стороны линии [16].
С учетом изложенноrо можно сделать некоторые общие выводы по
режимам с разрывом фазы: 1) разрыв фазы линии в отличие от К3 не-
посредственной опасности для системы может не представлять и не
требовать немедленной ликвндации; однако появляющиеся при нем
составляющие токов и напряжений обратиой и нулевой последователь-
ностей MorYT обусловливать ряд нежелательных последствий. Так, на-
пример, составляющие обратной последовательности, проходя по об-
моткам статоров reHepaTopoB, MorYT недопустимо переrревать их рото-
ры, несимметрия иапряжений на зажимах асинхронных двиrателей
может быть для них длительно недопустимой, токи нулевой последова-
тельности оказывают влияние на линии связи и т. п. Поэтому разрывы
фазы в ряде случаев было бы желательно автоматически селективно
ликвидировать; так часто и удается делать, если разрыв сочетается с К3
на том же участке; 2) некоторые типы защит обратной и нулевой по-
следовательностей (например, направленные) воспринимают появление
несимметрии от разрыва подобно К3 на том же участке или вне ero.
Если их срабатывание в таком режиме недопустимо, например при воз-
никновении кратковремеиноrо разрыва фазы выключателем в цикле ero
автоматическоrо отключения и повторноrо включения, должиы прини-
маться соответствующие меры.
Неполнофазные режимы (передача энерrии по двум фазам с воз-
вратом тока 'через землю) MorYT создаваться искусственно (например.
при проведении пофазноrо ремонта линии) для сохранения системных
связей и работы потребителей, имеющих одностороннее питание. Воз-
никающие при этом специфические соотношения электрических вели-
чин должны учитываться при выполнении релейной защиты.
Разрыв двух фаз. При раЗрЫВе двух фаз В и С (рис. 1.35) пита-
Ние потребителей осуществляется по одной фазе линии и земле; при
Изолированиой нейтрали с одной из сторон лииии передача мощности,
очевидно, невозможна.
Ток I LA проходит только по фазе А, возвращаясь через землю.
Сумма I A+ILB+ILC 3/0 (полные токи в фазах В и С отсутствуют,
НО составляющие в том числе и 10, имеются). Примерный вид век-
Торных диаrрамм напряжений при разрыве двух фаз В и С на линии с
Одиосторонним питанием приведен на рис. 1.35, б. Напряжеиия фаз
U Lш со стороны шин питающей стороны сохраняют большие значения.
6*
83
Непосредственно за местом разрыва U LN А, естественно, сохраняет ТО
же значение. Однако напряжения UL;B и ULNC, как и U LBC , сильно
снижаются и площадь треуrольннка междуфазных напряжений, ПОДво.
димых к потребителю, оказывается значительио меньшей, чем при раз-
рыве одной фазы. При сопротнвлениях наrрузки, одинаковых в прямой
и обратной последовательноС!ях, эта площадь снизится до нуля.
Режимы с отключеннем двух фаз реализуются крайне редко. С эти-
ми режимами как кратковременными в технике релейной защиты при-
ходится считаться в основном при неодновременном отключен ин или
включении фаз линий в случае, например, установки на иих чувстви_
тельных быстродействующих защит нулевой последовательности.
ш
н N
,) ....J....u u.
а, -LшА ШАра.&
V'Ш ШВ
llJ.IVA = и ! шА
Рис. 1.35. Соотношения токов и
напряжений при разрыве двух фаз
5) И., f\NB
Сложиоиесимметричные режимы представляют собой совокупиость
нескольких несимметричных К3, или нарушений продольной симмеТРИI!,
или их разных сочетаний. Такие режимы возникают, например, при: от-
казе одной или двух фаз выключатели при отключенин им К3; К3 в
сети, одна из линий которой находилась в неполнофазном режиме; КЗ
и каскадном (последовательном во времени) отключении поврежден-
ной фазы выключателями с двух концов линии; обрыве провода и КЗ
иа землю одноrо из ero оборванных концов и т. д. Один из сложныХ
видов К3 двойные замыкания на землю К 1) на разных участках
сети с изолированными нейтралями уже рассматривался выше.
Для некоторых случаев, коrда одна и та же фаза явлиется особоЙ
для обоих мест несимметрии, расчет может существенио упрощаться.
Так, при однофазном К3 на одной из фаз (иапример, А) и разрыве
двух друrих фаз (соответственно В и С) фаза с КО) ивляется особоi\.
84
Полные токи К3 со стороны обеих систем /,\} и / 1, направленные
к месту повреждения К, прн отсутствии переходно о сопротивления в
месте повреждення замыкаются по независимым контурам (рис. 1.36).
Поэтому они рассчитываются как токи однофазноrо К3 на линии с од-
носторонним пнтанием по выражению / 3EA!(Zl+Z2+Z0) , rде
БА и сопротивления Z определяются данны1ии COOTBeТCTBёHHO систем
М и N и сопротивлениями поврежденной линии по обе стороны от точ-
ки К3. Ток в месте К3 равен их сумме.
lr"i
1МА
....L..
-
1fO
.f.rN
м N
ф
Рис. 1.36. Короткое замыкание на одной фазе и разрыв двух друrих
Подобное же положенИе возникает (рис. 1.37) при металлическом
(?)
двухфазном К3 (например, К ве ) н разрыве третьей фазы (соответ-
ственно А). Токи фаз В и С, направляющиеся к месту повреждения,
проходят по независимым путям и определяются, как при двухфазном
замыкании (К(2), К(1.\)) на линии с односторонним питанием. Случай
{rM
frN
...............
м N
К (2)
ве
.....L..
Rn:::O
-=
....L...
Рис. 1.37. Короткое замыкание между двумя фазами и разрыв третьей
фазы
разрыва одной или двух фаз и трехфазноrо К3 с Rп О (рис. 1.38) MO
жет рассматриваться как неполнофазный режим с учетом К(3) в виде
Симметричной наrрузки, определяемой сопротивлением участка линии
от места разрыва (точки N) дО точки К(3).
Соотношения электрических величин в линиях с взаимиой иидук-
Цией. При анализе работы и расчетах релейной защиты электрических
сетей в ряде случаев (при возникновеиии в сетях K(I) или K(1,l) И по-
Явлении слаrающих /0) оказывается необходимым учитывать взаимную
Иидукцию электрических цепей: влияние одной цепи линии электропе-
83
редачи на друrую при нх расположении на общей опоре нли на близко
расположенных отдельных опорах, влняние на индуктивность линий нх
молниезащитных тросов и т. п. При этом в основу кладутся извеСТНЫе
соотношения и схемы замещения для индуктивно связанных цепей, в
частностн двухобмоточных трансформаторов, поскольку последние
представляют собой один из варнантов цепей со взаимной индукцией
ErM
=-------...
)
.frN
...............
+
м
..
N К(З)
-=
Рнс. 1.38. Случай разрыва одной фазы и К(З)
(рнс. 1.39, а и б). На рис. 1.39, в и е показаны две параллельные цепи,
имеющие общую точку с одноrо конца, и их схема замещения, состав-
ленная на основании рис. 1.39, а и б. При наличии общих точек с обеих
сторон подобные схемы «спариваются».
. 11 12
,. ""
:ЗЕ:
а..)
OI
ZOH }zMO
8)
Z11 ZM
1
J! 2t ь
2
Z22 ZM
3
!и 34
't б)
ZOI ZMO
l
2}
Z 12
M
Рис. 1.39. Исходные схемы замещения для двух цепей линии со взаим'
ной индукцией
Попутно следует отметить, что на одиночной линии также имеется
взаимоиндукция между ее фазами. Сопротивления одиночной ВЛ без
тросов в предположении осуществления полноrо цикла транспозиции
проводов ее фаз ZI == Z2 == ZL ZM И Zo == ZL + 2ZM == ZI + 3ZM,
r де ZL сопротивление петли провод земля, а ZM сопротивление
взаимоиндукции между проводами фаз. Обычно нСпользуются следую-
щие среДНИе соотношения между ХО и Х 1 [32]: для одноцепной линиИ
86
без тросов Xo/Xl==3,5; для двухцепной линии без тросов на общей опо
ре ХО/Х! ==5,5. Для линни с тросами с учетом Toro, что последние BЫ
J10ЛНЯЮТСЯ стальными (с большим удельным сопротивлением), а также
чаСТО разрезаются на части с заземлением каждой части только в oд
ной точке, в первом приближении можно использовать численные со-
отношения Хо/Х!, прнведенные выше и для линий без тросов.
Однофазные замыкания на землЮ. Однофазные замы
кания на землю K 1) являются характерным, наиболее час
Tl>I M видом повреждений в сетях, работающих с изолиро-
ванными или заземленными через дуrоrасящие реакторы
нейтралями. В СССР к ним в основном относятся воздуш-
ные и кабельные сети 6 35 кВ и иноrда сети более высоко-
ro напряжения (в северных районах). Работа с изолирован-
ной нейтралью считается допустимой при емкостных Ii 1 ),
не превосходящих 30, 20 и 10 А с Ином соответственно 6, 10
и 35 кВ. При б6льших токах рекомендуется применять ду-
rоrасящие реакторы с автоматической примерно резонанс
ной настройкой. Допускается их работа с небольшой пере
компенсацией для предотвращения резонансных перена-
пряжений.
Соотношения электрических величин при K l) и разных
режимах заземления нейтралей имеют некоторые общие
свойства, рассматриваемые ниже на примере сети с изоли-
рованной нейтралью (рис. 1.40, а). Фазы сети имеют меж-
ду собой и землей равномерно распределенные емкости,
которые MorYT быть заменены сосредоточенными Смф и Со,
так как падения напряжения вдоль проводов фаз при ма-
лых емкостных токах близки к нулю. При норма.1ЬНОЙ ра-
t,.,rp
(;.
к
1 (1)
311
.1
":" f':1 = [о *
и N
]{J
А
в
с
Ф/1) у(1) f с
I I зА 10
I I
f 'f ...
EA
138 J,c
.€A
а)
б)
Рис. 1.40. Металлическое однофазиое замыкание на землю в сети с изо
ЛИрованной нейтралью
8i
боте эти токи, определяемые ЭДС Е ф и емкостями Смф и Со,
симметричны и опережают ЭДС на 900. Напряжения И ф==
==Е ф . Напряжение нейтрали питающей системы и н == иф
Еф==О. При металлическом K I) в точке Кн ря же ние
и; ==0 как в месте пробоя, так и в любой друrой точке
сети. Нейтраль сети ПОЛJl,чает по отношению к земле сме-
щение (рис. 1.40, б) И(1 E А Напряжения неповрежден-
3.
ных фаз оказываются теперь равными: Изв===Ев+И I ===
==EB EA, Изс===Ес+И I ===Ес ЕА и воз рас та вуз раз.
Появляется напряжение нулёВой последоватеЛЬНОСТI!
И(I)===l/з(И(1) +Изв+И зс ) === ЕА==И(1l.
зО зА З.
ТОК в месте повреждения определяется емкОстными то-
ками фаз В и С, обусловленнымн только емкостями Со:
п == 3{ 6) == ( зв + зС) == jЗroСо!iА (1.16)
(учитывая указанные положительные направления, а так-
же то, что И o, и зв + И зс == 3EA и токи фаз В и С опе-
режают свои фазные на пр яжения Ha 900, рис. 1.40, б). ТОК
{, 1 опережает fi.A на 900. Важно отметить, что в начале рас-
сматриваемой линии несмотря на наличие I сумма токов
трех фаз +!зв+!зс О, т. е. 3Io 0 (справедливо только
при условии Со ВН==О внешней по отношению к рассматри-
ваемой линии сети).
Выше рассматривались металлические к;l). Практиче-
ски же они происходят через переходные активные сопро-
И (I) И (1)
тнвления Rп. При наличии Rп напряжения зО == з,Н име.
ют меньшие значения. Это уменьшение можно характери-
зовать коэффициентом полноты замыкания на землю L 1]
Ь==И(l)!U(1) ==и(1)IИ - l. ( 1.171
зО зОтах зО раб.ф - ;
Значение коэффициента Ь == иШ обусловливается не
только Rп, но также сопротивлениями системы по отноше-
нию к земле, которые определяются емкостями Со и ин-
дуктивностью L дуrоrасящеrо реактора (при ero наличии).
В результате один и тот же коэффициент Ь(И ». напри-
мер, в сетн с меньшими значениями Со характеризует за-
мыкания через большие Rп. С друrой стороны, при измене-
нни сопротивлений Со в случае замыкания с данным Rп из-
И (1)
меняется и коэффициент Ь ( зО .
При рассматриваемых K I) искажаются только фазные
88
напряжения. Треуrольник междуфазных напряжений oc
таетсЯ неизменным: Поэтому к фазам наrрузки продолжа-
ЮТ подводиться нормальные напряжения и работа потре-
бителей не нарушается. Токи в месте пробоя малы и быст-
ро произвести значительные разрушения не MorYT.
Учитывая эти обстоятельства, возможное отсутствие У
потребителей постоянноrо или быстро включаемоrо ре-
зерва, а также целесообразность уменьшения числа комп,
лектов защит в сети, защиту от K 1) обычно выполняют ра-
ботающей только на снrнал. Наиболее просто она выпол,
няется с помощью устройств контроля изоляцни, коrда по-
врежденный участок выявляется только поочередным от-
ключением элементов сетИ'. Последнее неудобно, в связи
с чем часто защита выполняется с помощью специальных
устройств.
Селективная защита (устанавливающая направление, в
котором произошло повреждение) часто осуществляется с
помощью специальных высокочувствительных устройств
нулевой последовательности. В сетях, заземленных через
дуrоrасящие реакторы, модуль и фаза основной rармоники
тока замыкания на землю MorYT быть близкими как на по-
врежденной, так и на неповрежденной линии. Поэтому в
настоящее время большое распространение получили се-
лективные УСТРОЙ ТБа сиrнализации замыкания на землю,
реаrирующие на высшие ,rармоники установившнхся токов
замыкания, поскольку для высших rармоник практически
отсутствует компенсация eMKocTHoro тока током дуrоrася-
щеro реактора. Используются также устройства, реаrиру
ющие иа слаrающие переходноrо процесса замыкания на
землю (см. rл. 9).
В сетях, работающих в условиях повышенной опаснос-
ти для обслуживающеrо персонала (например, сети 6
10 кВ, питающие торфяные предприятия), защнта от К 1)
Выполняет также функции защитноrо отключения н по ус-
Ловиям безопасности должна работать без выдержки вре-
мени на отключение.
Соотношения токов И напряженИй при трансформатор-
ных и автотрансформаторных связях. При рассмотренни
Функционирования защит, в частности защнт лнний, коrда
они должны работать как резервные при КЗ за трансфор-
маторами или автотрансформаторами, необходимо знать
СОотношения токов и напряжений с двух сторон силовых
трансформаторов и автотрансформаторов в случае возник-
89
новения повреждения на одной из них. На друrой стороне
(rде нет повреждения) MorYT изменяться как фазные COOT
ношения, характерные для места повреждения, так и зна
чения токов и напряжений.
Наибольший интерес представляет при этом часто BCTpe
чающееся соединение обмоток по схеме Y/Д ll. На рис. 1.41
дано выполнение TaKoro соед..инения с указанием начал (А,
В, С, а, Ь, с) и концов (Х, У, z; х, у, z) первичной и вторично]"!
обмоток, а также выбранных условных положительных Ha
правлений токов. Коэффициент трансформации, равный от-
ношению напряжений холостоrо хода, принят равным 1,
А В С А
VA!t 1 !8 У , t1c у
JA .у t
W y
х
JJ
WA
а
I!AA !BA lcA
А t в с а)
Рис. 1.41. Трансформатор со схемой соединения обмоток У/Д.!!
что соответствует приведению напряжений и токов к одной
стороне. При этом число витков обмоток, соединенных в
треуrольнИК, в уз раз больше числа витков обмоток, со.
единенных в звезду (WдУ3wу).
Токи в подводящих проводах со стороны треуrольника
!АД' !ВД И !сд для рассматриваемоrо случая связаны с
токами со стороны звезды AY' BY И CY следующим н со.
отн шениями: AД == ( Y BY }/Vз; BД == (!.ву CY)/
/Vз; cд == ( СУ АУ)/VЗ'
Так, например, в случае К СО стороны звезды при
o и, следовательно, 2 == [1 получаем (рис. 1.42, а)
[(2) == [(2) / '1l"з, [(2) == 2 [(2) /'11"3. [т [(2) / '1I" З
АД BY V, BД BY V ", cд BY V .
Таким образом, ток в одной из фаз (В) в подводящих
проводах на стороне треуrольника оказывается в 2 раза
больше токов двух друrих фаз и в 2/ Y 3 раз больше тока
90
3 1 (2)
К ву, совпадая с последним по фазе. Аналоrичные со-
отношения получаются и при К(2) со стороны треуrольника
(рис. 1.42, б) .
При К(1) со стороны звезды на фазе А и при 1 JЫ==I ==О
получаем ( ис. 1.43) Я1 == яиvз; 1 == о; 21 ==
=== ЯUVз. Т.е. токи в подводящих проводах со сторо-
ны треуrольника проходят в двух фазах и в 11Y 3 меньше
тока К3 [ .
Фазные напряжения со стороны звезды для идеальноrо
трансформатора с T O связаны с напряжениями со сто-
1(2) 0 1 (2)
AY VJJJЗ У I(2} /2)
.......... А
8Y A
1(2) .1..../2) t
BY VJ B У
.......... в
в
1(2) 1 /2)
cy v'J BY а) 1(2) 1(2}
с 1(2) cд AД
С lA д=о c у
/2)
А А BД 1,(Y 2t
1(2) 1
.:.в Д
' В
11
1(2)
cд
С а) 1(2) 1(2)
С' CA cY
Рис. 1.42. Распределение полных токов при Ю 2 ) за тр:шсформатором
с соединеиием обмоток У /Д-II
1.(1) f (f)
AY VJL, y
........... А !lm
[(1) o (1) 1 lM A
BY 1в У =0 A У
8 ........... ........... в
(1) ..L 1 (1)
lсу=О VЗ АУ [(1j
С ........... с
" CA
-=
РИс. 1.43. Распределеиие полных токов при Ю i ) за траисформатором с
соединением обмоток У / Д-!I
91
роны треуrольника соотношениями И АУ == И АСД / V
иву === И ВАД / Vз и И СУ === И СВД / V 3 Таки; образом
ф азным напряжениям со стороны звезды соотвеТСТВУЮl
междуфазные со стороны треуrольника.
С друrой стороны, фазные напряжения по отношению к
нейтральной точке системы междуфазных напряжений со
стороны треуrольника или"относительно центра тяжести тре-
уrольника междуфазных напряжений связаны с напряжени-
ями со стороны звезды соотношениями U АДн === И АВУ / V 3;
И ВДн === И ВСУ / VЗ; И сдн === И САУ / V3.
Если в системе со сторо ны треуrольника нет напряже-
ния нулевой последовательности l!!!д, фазные напряжения
по отношению к нейтрали И Фдн являются и напряжениями
фаз И фд по отношению к земле. При наличии И од напряже
ния Ифдопределяются по соотношению Уфд И Фдн + oд.
При переходе через трансформатор с соединением обмо-
ток У/Д в случае симметричных ЮЗ) фазные соотношения
1.1(1) 1/1) (1)
} 3 ' I Jjl) 1 iI1
в r 1 11!
с с
1 (1) 1 1 (1)
ЗlA О 3:.4
Рис. 1.44. Распределение полных токов при К(1) за трансформатором с
соединением обмоток У jY с нейтральным проводом
между токами и напряжениями на каждой из сторон OCTa
ются одинаковыми, так как токи и напряжения претерпе-
вают одинаковый по значению и направлению СДВИr по фа-
зе. Иные соотношения получаются при несимметричных К3
(см., например [16]).
На практике достаточно широкое распространение име-
ют также понижающие трансформаторы 3,15 10,5/0,4
0,23 кВ с четырехпроводной системой с rлухозаземлен-
ной нейтралью со стороны 0,4 0,23 кВ. На рис. 1.44 дано
выполнение TaKoro соединения в предположении, что коэф-
фициент трансформации равен 1, чему соответствует ра-
венство витков обеих обмоток. В случае K l) (на землю или
92
четвертый провод) ток на поврежденной стороне проходит
по фазе А (при неучете наrрузки) и имеет значение {Я)==
:==I.. 11 +I A2 +IAO с равными составляющими всех последова-
тельноётей. С питающей стороны составляющие 10 прохо-
дить не MorYT. Они создают потоки нулевой последователь-
ности, замыкающиеся через бак трансформатора. На комп-
лексной схеме замещения это соответствует прохождению
токов 10 через сопротивление ветви намаrничивания транс-
форматора, что существенно оrраничивает ток К3 К(1) на
А АВ ВС С
( С В Iс С
1с At 18 At 188+ f 18C
+lHA
р'Н8 р'нС
В С а)
IсВ 1сС
t 8 tc
188 18С
.!оощ С
х z б)
z Zc
1 Z tl 1с
в)
.4
Рис. 1.45. Автотрансформатор
стороне низшеrо напряжения. На стороне высшеrо напря-
жения в поврежденной фазе проходит ток, равный 2IЯ>/3, а
в двух друrих фазах ток IЯ> /3. Таким образом, получаю-
щееся токораспределение качественно похоже на распреде-
ление токов при Ю 2 ) дЛЯ трансформаторов с соединением
обмоток У/Д.
На рис. 1.45, а показана схема соединения для автотранс-
форматора, имеющеrо отдельную обмотку низшеrо напря-
Жения, и на рис. 1.45, б дано схематическое изображен е
ОСНоВНой обмотки с указанием начал и концов ее частеи,
Имеющих выводы со стороны высшеrо напряжения (А, В,
С), среднеrо напряжения (Х, а; У, Ь; Z, с) и к нейтрали
(х, у, z), а также выбранные условные положительные Ha u -
nравления токов. При учете только автотрансформаторнои
СВязи токи и напряжения на выходах основной обмотки со-
93
ответственно совпадают по фазе. Соотношение их значений
определяется коэффициентом трансформации автотрансфор
матора, равным отношению полноrо числа витков основной
обмотки (например, между зажимами А и х) к числу вит
ков ее общей части (соответственно между зажимами Х, а
их).
При учете обмотки НИЗ,шеrо напряжения соответствую
щие величины получаются из трехлучевой схемы замеще
ния автотрансформатора (рис. 1.45, в). Ток в общей части
обмотки ! общ непосредственно в рассматриваемой схеме
замещения отсутствует. Он определяется в каждой фазе как
разность действительных (неприведенных) токов сторон
высшеrо и среднеrо напряжений: ! общ ==! B ! с (рис. 1.45, б) .
Нейтрали автотрансформаторов rлухо заземляются для
предотвращения появления в системе среднеrо напряжения
повышенных недопустимых напряжений при к.з на землю
в системе высшеrо напряжения, а также вследствие невы-
cOKoro уровня изоляции нейтралей самих автотрансформато
ров.
Для выполнения защит от к.з на землю часто использу
ются токи И напряжения нулевой последовательнос'си. Для
лучшеrо выполнения этих защит было бы желательно сети
смежных напряжений с rлухим заземлением нейтралей
иметь как бы «разделенными» ПО нулевой последователь-
ности.
Появление составляющих нулевой последовательности
в сети ОДНоrо напряжения при к.з на землю в сети друrоrо
обычно имеет место при свя-
зи между этими сетями по
средством трехобмоточных
трансформаторов с соедине-
нием обмоток Уо/уо/Д, име-
ющих rлухозаземленные
нейтрали (рис. 1.46,а), или
автотрансформаторов (рис.
1.46, б). При выполнении за-
щиты в общем случае при-
ходится учитывать связь по
нулевой последовательности
между сетями смежных на-
Рис. 1.46. Связь систем двух на- П р яжений. Более по др обно
пряжеиий
этот вопрос рассмотрен
в [16].
СА
С Б
а)
СА
о)
94
Влияние наrрузок на соотношение электри ских величин при П
вреждениих. Наrрузки системы оказывают влияние на соотношение
электрических величин при любых видах повреждений в сетях. При
расчетах для защиты повреждений в сетях BbIcoKoro напряжения на-
rрузки учитываются приближенно, rлавным образом для несимметрич-
ных режимов. Учет наrрузок типа осветительных, имеющих одинаковые
сопротивления во всех последовательностях и не rенерирующих ЭДС,
просТ. Промышленная наrрузка в значительной мере определяется дви-
rателями, преимущественно асинхронными. В начальный момент К3
они MorYT переходиТь из двиrательноrо режима в rенераторный, если
ЭДС Б д двиrателей окажется больше остаточноrо напряжения на их
зажимах. Ток от двиrателей быстро, за время, не превосходящее не-
скольких периодов, затухает, однако на функционирование быстродей-
ствующих защит может влиять. Далее двиrатели работают как потре-
бнтели с сопротивлением прямой последовательности Х [д, уменьшаю-
щимся по мере снижения частоты вращения. При несимметричиых К3
необходимо учитывать, что реактивное сопротивление обратной после-
довательности асинхроиных двиrателей Х 2д значительно меньше, чем
прямой, и также зависит от частоты вращения. При остановке двиrа-
теля Х!д,==,Х 2д .
Синхронные двиrатели при сильном снижении напряжения ведут
себя подобно reHepaTopaM, и при большой мощности их следует вы-
делять из обобщенной наrрузки. Необходимо иметь в виду, что при
недостаточно быстром отключении внешнеrо К3 синхронные двиrате-
ли MorYT выпадать из синхронизма и при этом их приходится отклю-
чать.
В соответствии с разработками и преД"10жениями С. А. Ульяиова
{29] (при отсутствии подпитки места К3 от наrрузки) для обобщеиной
наrрузки, в которую входят непосредственно питающие ее линии и по-
нижаЮщие трансформаторы, принимают Х[н"" 1,2 и Х 2Н "" 0,35.
.. *
Рассмотрение соотношеиий электрических величин при иаличии иа-
rрузки в случае К(2) дает возможность сделать ряд выводов, принима-
емых во внимание при выполнении релейной защиты сетей.
1. В неповрежденной фазе А результирующий ток 1 AH'=='IIH+I2H
имеет конечное значение в отличие от paccMoTpeHHoro ранее случая
К(2) в схеме без наrрузки, коrда составляющие, вычитаясь, определяли
ток IЯ) '=='0. rеометрическая сумма токов трех фаз наrрузки равна
нулю (10 отсутствует вне зависимости от режима заземления нейтралей
трансформаторов), и по поврежденным фазам В и С также проходят
токи наrрузки.
2. При ХН! '=='XH2:E токи I A1 ,==,I A2 и токи наrрузки IBH,==,I cH ,==,
== 0,51 Ан. В общем случае токи наrрузкн повреждеиных фаз различ-
95
ны, при этом может даже 'измеииться порядок чередования их фаз (см.,
например, [1]).
З. СО стороны нсточника питания в поврежденных фазах наrрузоч.
ные слаrающне нскажают (по сравнению со случаем иеучета наrрузок)
векторную диаrрамму токов, увеличивая полный ток одной фазы и
уменьшая друrой.
4. Двухфазные К3 на землю К(1,,) в сети с изолированными нейт-
ралями никакоrо дополнитеЛЬН9rо влияния на работу потребителей по
сравненню с рассмотрениым К(2) не оказывают.
5. Некоторые общие соображения о влиянии иаrрузок, приведенные
в начале, относятся и к друrим видам К3.
Учет поперечиой проводимости лииий в устаиовившихся режимах.
Рассмотренные выше соотношення для установившихся токов н напря-
жеиий (нх действующие и амплитудные значення) не учитывали по-
перечной проводимостн линий. Это обычно допустимо только при рас-
четах токов и напряжений в случаях К3 на воздушных линнях в сетях
1:1
l:.IIc =3С"'ф Lp'o
о) -=-
L.IJёpaД
8)
А
В
С
С""ф О
-=- а)
Рис. 1.47. Емкости линии с сосредоточеннымн параметрами
дО IIO 220 кВ, иноrда 330 кВ. Однако и в таких сетях для некоторых
режимов работы чувствительной релейной защиты, например прн вклю-
чении защищаемой линии под напряжение, оказывается необходимым
учет поперечной (емкостной) проводимости. Прн длине ВЛ дО 150
250 км этот учет можно осуществлять, рассматривая пара метры линии
R, L и С сосредоточенными (см., например, [32J), по известным Т- или
П-образным схемам замещения. Трехфазиая линия характеризуется
тремя междуфазными емкостями С мф н тремя емкостями фаз Со по
отнОшению к зеМЛе (рис. 1.47, а). Треуrольник, образованный СМф, пре.
образуется в эквнвалентную звезду с емкостями С 3Смф (рис. 1.47, б).
В симметричном (рабочем) режиме совокупность С и Со образует ра-
бочую емкость Сраб С+СО 3СМФ+СО (рис. 1.47, в).
Для линий значительной длнны 330 кВ и выше учитывать попереч-
иЫе проводимости рассмотренным упрощенным способом нельзя. В этом
случае связь между напряжениями и токами в начале участка длиной
1 (рис. 1.48) И" 1, и в конце участка ин, 1'1, как известно, определи-
ется уравненнямн содержащнмн rиперБОлнческие функции от комплекс-
Horo aprYMeHTa yl:
96
И J == Ин сЬ "11 + Zc 1 н sh У l; }
(1.18)
!! 0:= H sh "11/ с + { II ch "11,
rде c V / V (r+jroL yA ) (g+jroC YA волновое (характеристиче-
ское) сопротнвление, определяемое удельным продольным сопротивле.
нием z и поперечной проводимостью у; -у== V zy== a+jf3 КОЭффИЦIf.
еит распространения, определяемый коэффициентом затухания а и ко.
эффициентом сдвиrа фаз уrлом сдвиrа фаз между векторами на.
пряжений или токов на единицу длнны линии. Напряжение и ток в
Е .!!.Т )lr
1-<
1r
Л IЦ А,в",Д
lл
ЦЬ
J!JI)lz
.
I
Рис. 1.48. Участок лии ии с
распределеиными параметрами
Рис. 1.49. Четырехполюсник,
заменяющий линию с распре-
деленными параметрами
каждой точке лннни, в том числе в ее начале н конце, в рассматрнвае-
мом установившемся режиме синусоидальны, как и ЭДС питающей
системы, с уrловой частотой ro 2:Itf. Поэтому для иапряжений и то-
ков MorYT быть построены векторные диаrраммы.
Уравнення (1.18) представляют собой уравнения пассивноrо четы-
рехполюсника (рис. 1.49): И,==АиIl+В1I1 и 1,== CUll +D1!I, тде
А, В, С и D комплексные ко нстанты, удовлетвор яющ ие условиям
A b и AD BC I. В рассматриваемом случае A D==chyl, B
-:"Z hyl и C:::shYt/Zc. Пользуясь этими выражениями, линию с распре-
деленными постоянными заменяют эквивалентной Т- или П-образиой
схемой с сосредоточенными постоянными.
Коэффицнент СДВИrа , представляющий некоторую часть периода
переменноrо тока, может быть выражен также промежутком времени
t, необходимым для пробеrа волной 1 км линии, CjKM: t== jro /21tf.
Отсюда следует, что скорость распространения волн, KMjc, v== Ijt==ro/ .
I<оэффицнент дает также возможность определеиия длины воЛны Л,
представляющей расстояние между двумя точками линии, в которых
в данный момент времени фазы напряжений или токов сдвинуты на
yron 360": л==3600, откуда л==3600j , КМ. ДЛЯ ВЛ скорость v прнбли-
Ж8.ется к скоростн света (300 тыс. KMjC) , ""'0,06 rрадjкм; при этом
.l.лин8. волны 6000 км. Как будет показано ииже, уже при длинах ли-
НИЙ, близких к четверти волны, входные сопротивления ZИХ,к при К3 в
7 855
97
конце участка близки к нулю и, например, обычные дистанционные за-
щиты, реаrирующие на отношение UI/II, будут вести себя так, как при
повреждении в начале участка линни с сосредоточенными параметрами,
т. е. неправильно. На практнке длины отдельных участков электропере-
дач сверхвысоких и ультравысоких напряженнй составляют сотни ки-
.пометров « 1000 км) И подобных затрудненнй не возникает.
Существенные упрощени!): расчетные выражения полу чают П рl!
пренебреженин потерями (a (п. В этом случае 'V j jO) V L уд 6 уд ,
== О) V Lуд СУД ' c == V Lуд/Суд == Zc (представляет активное сопро-
тивление), v I/V Lуд/Суд , а напряжение и ток определяются не rи-
перболнческими функциями от комплексноrо aprYMeHTa, а триrономет-
рическими от действительноrо aprYMeHTa. Существуют и друrие способы
упрощения, например путем замены rиперболнческнх функций пеРВЫМI!
слаrаемымн из разложения в степенной ряд [32].
Важным, в частности для переходноrо процесса, является входное
сопротивление линии с равномерно распределенными параметрами, оп-
ределяемое отношением UI/II. Прн металлическом КЗ на конце
(Uп О) ZBX,K Zcth'Vl.
В случае, если конец линин наrружен сосредоточенным сопротив-
лением, ZBX ZC (ZH+zcth'Vl)/(ZHth'Vl+Zc).
Учет переходных процессов иа линиях с сосредоточеиными пара-
метрами R н L подробно рассматривается в соответствующих курсах
{29]. Подчеркнвается появленне в переходных токах апериодических
слаrающих, которые необходимо учнтывать н прн выполнении защиты.
Здесь рассматриваются только апериодические слаrаЮщие в остаточных
напряжениях. Например при трехфазном КЗ в сетн (рис. 1.50),' если
е Ш
е-1
Rc,/"c иiР
JJ)
K(J)
7
Рис. 1.50. Схема для определе-
ния соотношений MrHoBeHHblx
токов и напряжений при кт
на линии с сосредоточенными
пара метрами
R" ,/.",
считать сопротивления линий сосредоточенными, MrHoBeHHoe значение
напряжения в месте включення защиты (шины Ш) определяется из
двух уравнений: иg> Rлi(3)+Lлdi(3)/dt и ЭДС e (Rс+Rл)i(3)+(L с +
+L л )di(3) /dt н равно и (RлLс RсLл)i(3)/(Lс+Lл) +Lле/(Lс+L л ).
Таким образом, наличие в и 3 апериодической слаrающей при пе-
риодической ЭДС е системы определяется коэффицнентом (RлL с
RсLл) / (Lс Lл). При однородных сопротивления Z элементов системЫ
(Lс/Rс LлIRл) этот коэффициент равен нулю и даже при наличии в
тоКе i(3) апериодической слаrающей напряжения и ) ее не имеет. Апе-
98
риоднческая слаrающая появляется при LcRc-=#LлRл или друrнх видах
КЗ. Однако в напряжениях между поврежденными фазами при не-
большой иеоднородности элементов системы, что часто можно принять
дЛЯ КЗ, удаленных от источников питания, апериодические слаrающне
MorYT быть небольшими.
Учет сосредоточенных поперечных проводнмостей при определении
переходных значений токов н напряжений также не встречает особых
затруднений.
Определение токов и напряжеиий при переходиых процессах на
лиииях с распределениыми постоянными. При рассмотрении ныполне-
ниЯ защит для достаточно длннных линий сверхвысоких н ультравысо-
ких напряжений, работающих с временами срабатывания 0,01 0,02 с,
необходимо считаться с наличием прн К3 в MrHoBeHHbIx значениях то-
ков и остаточных напряжений кроме апериодическнх слаrающих еще
свободных колебательных (знакопеременных) затухающих слаrающих;
при этом учнтывается, что переходные процессы затухают относнтель-
но медленно в связи с малыми в них потерями.
Существуют два способа расчетов переходных процессов на линиях
большой протяженности. Первый основан на рассмотренни распростра-
няющихся (беrущнх) при нарушенин режима волн, второй волн, соот-
ветствующих собственным колебаниям в системе.
Способ распространяющнхся волн в современном ero виде, являю-
щемся развитием способа Бержерона, приrоден в сочетанни с ЭВМ дЛЯ
схем любой сложности, на неоrраниченном интервале времени, как при
линейных, так и нелинейных элементах. Основной недостаток способа
применительно к условиям защиты заключается в получении результи-
рующих величин без выделения свободных колебательных и апериоди-
ческнх затухающих слаrающих.
Второй способ в варианте, разработанном для практическоrо нсполь-
зования С. Б. Лосевым и А. Б. Черниным [33], основан на известной
формуле разложения операционноrо исчисления, в первоначальном ви-
де предложенной в 20-х rодах Хевнсайдом (Великобритания). С ее по-
мощью электрнческие величины (токи, напряжения) определяются
в ВИде суммы прннужденной (основной) слаrающей промышленной
частоты, апериодических и свободных колебательных слаrающих. Это
для подавляющеrо большинства защит является определяющим преи-
муществом способа. Он не приrоден для так называемых волиовых
защит и рассмотрения явлений, пронсходящих в первые мrновения воз-
никновения нарушеннй режима. Некоторые недостатки способа устра-
няются при использовании для расчетов на ЭВМ проrрамм, разработаи-
ных в ЭСП.
Использование формулы разложеиия. При приложении к схеме
источника синусоидальноrо напряжения и(t) И т siп (O)Ht+CP) и при
78
99-
нулевых начальных условиях возникает ток, MrHoBeHHoe значение ко-
Toporo
[ и еj(Фп+Q»
i и) == 1т
иwп)
n
+
s l
(1.19)
и т eiQ> ePs t
(р s jw ) (р в> ].
Если ток i(t) выражен в КОf.шлексной форме I(t), знак 1т, указы-
вающий, что берется мнимая часть выражения (1.19), отпадает. Отдель-
ные слаrающие выражения (1.19) представляют: Uтеi(Фпt+Q» иа-
пряжение источника в комплексной форме равно и т [cos (wHt+<p) +
+i siп (wHt+<p)]; Z иООН) комплеКСное сопротивление схемы; р.
корни характеристичес'коrо уравнения Z (p) O, rде Z (р) опера-
торное сопротивление схемы; Z (рв) "=производную Z(p) при p p..
Мнимая часть первоrо члена формулы (1.19) характеризует при-
нужденную слаrающую тока iпр(t) ит sin(wHt+<p B)IZ иООН), rде
в уrол Z иООН). Мнимая часть BToporo члена (1.19) характеризует
сумму апериоднческих ia(t) и колебательных iкол(t) затухающих сла-
rающих. Таким образом,
т 00
i (t) i пр (1) + ia (t) + i KOJI (t).
B l B l
(1.20)
Приведенные выражения непосредственно применимы для метал-
лическоrо трехфазноrо 1(3. В этом случае активными сопротивлениями
часто можно пренебречь. При этом определения амплитуд и фаз MorYT
быть существенно упрощены. Активные сопротивления необходимо при
этом учитывать только для определения сво.бодных составляющих. При
повреждениях на землю это недопустимо.
При расчетах несимметричных 1(3 обычно используется метод сим-
м@тричных составляющих. При этом напряжения, токи и сопротивле-
ния элементов при нулевых начальных условиях выражаются в опера-
торной форме. По найденным при расчете изображениям электрических
величин находятся их орнrиналы, т. е. величины, выражеиные в функ-
ции времени.
Проведенные исследования [33] и практичеСкие расчеты дали воз-
можность сделать ряд выводов, rлавные из которых СВОДятся к следую-
щему: 1) свободные колебательные слаrающие нмеют, как правило,
частоту OOS>OOH, хотя первая нз них может быть и близка ООн (колеба-
ния с OOs < 00" возникают только на электропередачах с очень редко при-
меняемой продольной емкостной компеисацией). Необходимо подчерк-
нуть, что использование для колебательным затухающих слаrающих
названия «свободные rармоники» не очень у ачно, так как они не яв-
ляются периоднческими функциями; 2) начальные значения колеба-
100
теЛьных слаrающих зависят не только от уrла <р, но и от их частоты
0).. В связи С этим их начальные значения максимальны при прохож-
деиИИ u(t) в момент 1(3 через максимум, а не через нуль, как бывает
для основной слаrающей с рабочей частотой Юн (по этой же причине
слаrающие с частотой ю э содержат даже при симметричном 1(3 состав-
ляющие обратной последовательности); 3) с учетом Toro, что теорети-
чесКИ число свободных колебательных слаrающих равно 00, приходится
принимать меры к снижению их числа до допустимоrо значения при
сохранении приемлемой точности расчета; при этом необходимо иметь
в виду, что, как показали исследования В. [. Плотникова и А. Б. Чер-
нина в ЭСП, дЛЯ линий, входящих в сеть, в отличИе от одиночной ли-
нии некоторые последующие rармоники MorYT иметь амплитуды боль-
шие, чем предыдущие; 4) обычно можно учитывать только оди,. ре- .
зультирующую апериодическую слаrающую с коэффициеитом затухаиия,
равным R /L , rде R == (О) определяется при joo O.
Влияние переходных процессов на защиту линий с распреде.llен
иыми постоянными. Измерительные opraHbl защиты линий от 1(3, как
vказывалось выше, строятся преимуществеино с использованием элект-
jJИческих величин промышленной частоты. Их отстройку от свободных
затухающих слаrающих пытаются осуществлять различно в зависимо-
сти от используемой элементной базы. Так, например, при иидукцион-
ных системах, учитывая их естественные свойства, оrраничиваются
созданием в системах обмоток специальных контуров, в микроэлект-
ронных устройствах при меняют аналоrовые фильтры, в проrраммных
защитах (на микропроцессор ной базе) используют цифровую фильтра-
цию. Разрешение этоrо вопроса оказалось, однако, весьма сложным, и
ero пока нельзя считать окончателно решенным (см., например, [16,
34] ).
1.7. ВИДЫ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ, НА НИХ РЕАrИРУЮЩЕй
Основными видами ненормальных режимов работы
электрических сетей, учитываемыми при выполнении их
релейной защиты, являются: сверхтоки, обусловленные пе-
реrрузками или 1<3, возникающими вне защищаемоrо уча-
Стка сети; качания и нарушения синхронизма между парал-
лельно работающими в системе машинами; броски тока на-
маrничивания трансформаторов и автотрансформаторов;
Токи самозапуска. Особенности ненормальных режимов
работы машин и аппаратов рассматриваются ниже приме-
Нительно к их защитам.
Сверхтоки. Сверхтоки оказывают на линии термическое
воздействие, что может привести к ускоренному износу
101
проводов, особенно в местах установки соединительных за
жимов, или даже к повреждениям этих линий.
От сверхтоков, вызванных внешними К:З, обычно исполь
зуется защита участка от К:З, действующая как резервная
в случаях отказа защит или выключателей поврежденноrо
смежноrо элемента. Следует иметь в виду, что в правиль-
но спроектированной и эксплуатируемой распределитель-
ной сети недопустимые переrрузки маловероятны и специ-
альная защита от них обычно не устанавливается. Если
недопустимые переrрузки вероятны, то может встать во-
прос об установке защиты, работающей на сиrнал и раз-
rрузку.
Колебания напряжений и токов при качаниях и Hapy
шениях синхронизма. Часто интенсивные качания синхрон-
ных машин возникают вследствие недостаточно быстроrо
отключения К:З в системе. В наиболее тяжелых условиях
возможно возникновение KpaTKoBpeMeHHoro или затяжноrо
нарушения их синхронной работы, что, однако, для совре-
менных мощных машин обычно не допускается. Этими ре-
жимами сопровождаются такЖе используемые иноrда в эк-
сплуатации автоматические несинхронные включения.
Соотношения электрических величин при качаниях, возни-
кающих, например, после отключения внешнеrо К:З, даются
ниже для одиночной линии с двусторонним питанием (рис.
l.БI,а). В этом случае процессы во всех трех фазах про-
текают одинаково и их можно рассматривать для одной фа-
зы. Если расхождение yr лов.!? А И Б двух частей системы
происходит относительно медленно, то можно с небольшой
поrрешностью считать, что частота каждой из них остаетсх
неизменной, а следовательно, и сопротивления элементов
системы одинаковы для обеих ЭДС. Тоrда уравнительный
ток в линии АВ при уrле расхождения б между Е А и ЕБ
(рис. 1.51, б) /ур== (ЕА ЕБ)/(ZА+ZЛ+ZБ) отстает от Е А :"'"
ЕБна уrол с==аrctg(ХА+Х +Х )/(RА+Rл+RБ).
Напряжения по концам линии ИА==ЕА /УРZА и И Б ='"
==ЕБ+/урZ Б . Минимальное напря жен ие U ц в системе при
дaнHOM уrле определяется в изображенном случае длиной
перпендикуляра, опущенноrо из центра диаrраммы на век-
тор !! АБ падения напряжения в линии. Точка в системе,
имеющая при данном б минимальное напряжение, называ-
ется электрическим центром. В общем случае электрический
центр может занимать различные положения, перемещаясь
с изменением уrла б.
]02
в 1940 1941 п. в МЭИ (Н. А. Моралев) был предложен своеоб
разныЙ метод рассмотрения соотношения электрических величин при
качаниях. Он кратко сводится к тому, что все напряжения и эдс
диаrрамМЫ на рис. 1.51,6 делятся на ток I ур . В этом случае.примени-
тельнО к использованию комплексной плоскости сопротивлении все эле-
менТы системы изображаются на этой плоскости (рис. 1.52). В предпо-
А Б
]ур
Хл,R л
а)
Рис. 1.51. Качания в системе с двумя нсточниками питания
. эд с Е и Е П р оводится
ложении равенства абсолютных значении A Б
прямая, перпендикулярная cYMMapHo'v!Y сопротивлению ! '1: системы
в ero середине. Получающаяся линия О' О" может рассматриватьс.я
как линия нулевых потенциалов, а эдс Е А и Е Б как изменяющие-
ся (с измеиением 6) расстоянИЯ от ее точек до концов '1: (нейтралей
систем А и Б). При равенстве абсолютных значений A и А!> линия
О' О" заменяется дуrами окружностей. Такой подход оказался удобным
для анализа поведеиия при качаииях, в особеиности таких защит, как
дистанционные. В дальнейшем появились зарубежные и отечествеиные
работы, развивающие такой же
метод.
При качаниях уrол 6 опреде-
ляется электромеханическими пе-
реходиымн процессаМИ в reHepa-
торах сист.емы' причем ero изме-
нения во времени имеют колеба-
тельный характер. Амплитуды ко-
лебания уrла 6 при качаниях за
тухают, и иаступает установив
шийся послеаварийный режим.
При 161>1800 втяrивание в син
Рис. ].52. Использование комп:
лексиой плоскости сопротивлении
для анализа работы защит при
качаниях
jX
+/1
ЕА
]03
хроннзм оказывается затруднительным и возннкает асинхронный режwм,
коrда частоты Ел и Б неодинаковы. Ниже приводится упрощенный
аналнз режима качаний при быстром изменении уrла б б(t) и асин-
xpoHHoro режима, если нспользовать метод иаложения. Наиболее на-
rлядно закономерности изменения уравинтельноrо тока можно пока-
зать, еслн принять, что амплитуды тока 1т от каждой из ЭДС одина-
ковы. Тоrда при качаииях уравниtельный ток iyp будет равен
lур==lтsiПШАt lтsiП[ША t 6(t)]==
== 21 т cos [ША t 6 (t)/2] sin [6 (1)/2],
(1.21)
а при асинхронном режиме с уrловымн частотами Ел и Е Б' равными
соответственно Шл н ШБ,
iyp == 1т siп ША t 1т siп шБt == 21т cos
ША + Ш Б
2
tsiп ША ШБ t
2 .
(1.22)
В обонх случаях уравнительный ток нмеет внд косинусоиды с ам-
плитудой, зависящей от уrла б(l) прн качаниях и уrла (ША ШБ)t при
асинхронном режиме. Эти токи достиrают амплитуды 21 т при значе-
ниях этих уrлов, равных 180°, и MorYT быть больше токов I<З на за-
щищаемых линнях.
Напряження на линиях в рассматриваемых режимах также ПУЛЬ-
снруют. Наиболее снльные нх колебания происходят в точках системы
расположенных вблизи электрическоrо центра. Ряд защит от I<З може;
реаrировать на качания и асинхронный режим, поскольку последние
сопровождаются повышением токов и понижением напряжений, как и
при I<З, а электрический центр является как бы местом их возннкиове-
ния. Для мноrих защит допустнмо упрощенное представление процесса,
коrда считается, ЧТО!!л и !! D имеют неизменную частоту, но уrол б
между ними равномерно изменяется во времени. Прн асинхронном ре-
жиме этот фиктивны уrол 6 (Ш.А (() )t, а завнсиМОСТН от Hero
тока 1 ур и напряженин и А' и Б и и ц показаны на рис. 1.53. Если изме-
рительные opraHbl защиты имеют частотно-завнсимые цепн, т. е. инте-
rpaTopbl или днфференцнаторы, то такое упрощенное представленне
процесса может привести к серьезным ошибкам прн анализе. Например,
IУ М: UБ,uЦ Б
lI.4 и
ц
, 300 720. (; О 180 JБО SЧО 720.
") 5)
Рнс. 1.53. Изменеиия при асин-
хронном режиме тока и напря-
жеиня в различных точках
системы
104
чувствительные фильтровые opraHbl обратной последовательностк, на-
строенные на частоту ША, будут реаrировать на небалансы, возникаю-
Iдие от слаrающих, изменяющихся пропорционально sin [шt б(t)] [ M.
(1.21)] или siпшБt [см. (1.22)], причем небалансы будут тем больше,
чем меньше период качаний [большая частота колебаний уrла б(t)}
или чем больше разннца между ШАН ШБ' Более rлубокий и полный
анализ этоrо вопроса дан Э. М. Шнеерсоном [15].
Большие уравнительные токи, возникающие прн качаниях и асин-
хронном режиме, MorYT также вызвать увеличенные поrрешности изме-
рительных ТА, что необходимо учитывать при выполнении дифферен-
циальных и фильтровых защНТ.
Системы должны эксплуатироваться так, чтобы выходы
из синхронизма были по возможности исключены. Это, в
частности, достиrается применением быстродействующих
защит, использованием комплексов устройств противоава-
рийной автоматики. Если, однако, синхронизм оказывается
все же нарушенным, систему приходится автоматически де-
лить в определенных, заранее установленных местах на
несинхронно работающие части, так чтобы в последних бы-
ли по возможности сбалансированы rенерирующие мощ-
ности и мощности, потребляемые в наrрузках.
Срабатывание защит в рассматриваемых режимах явля-
ется недопустимым, так как может приводить к нарушениям
работы системы, разделению ее на части в недопустимых ме-
стах, отключениям потребителей. Предотвращение работы
защит, подверженных воздействию качаний, достиrается
соответствующим выбором их параметров срабатываиия
или применением специальных устройств.
Броски намаrничивающеrо тока трансформаторов и aB
тотрансформаторов. Намаrничивающий ток I пам трансфор-
маторов и автотрансформаторов, не превосходящий при
нормальной работе нескольких процентов их номинальноrо
тока I пом , может при восстановлении напряжения после от-
ключения внешних К3, и особенно при включении под на-
пряжение, в несколько раз превышать Iиом. При этом [вам
для автотрансформаторов определяется их типовой мощно-
стью, а для мноrообмоточных трансформаторов мощно-
стью наиболее мощной обмотки.
Возможности появления больших значений бросков на-
маrничивающеrо тока J иам , бр определяются тем, что при
ВКлючении под напряжение в неблаrоприятный момент
времени по напряжению и при наличии остаточноrо потока
е маrнитопроводе, совпадающеrо по знаку с переходным
105
потоком, стержни маrнитопровода полностью в течение
первоrо периода (0,02 с) насыщаются и сопротивление
трансформатора (здесь и ниже имеются в виду и aBTO
трансформаторы) кратковременно оказывается весьма не-
большим. Типичные кривые бросков i иам , бр для трех фаз
приведены на рис. 1.54. Они характеризуются следующим:
максимальное значение бросков достиrает 6 8-KpaTHЫX
Рис. 1.54. Примерные кривые MrHo-
венных значений бросков намаrничи-
вающих токов в трех фазах трехфаз-
Horo трансформатора
значений амплитуд J иом ; броски оrраничиваются сопротив-
лениями питающей системы и трансформатора с насыщен-
ным маrнитопроводом, но остаются меньшими максималь-
ных переходныХ токов внешних (сквозных) КЗ; бросок мо-
жет содержать большую апериодическую слаrающую, а
также значительный процент высших rармоник (прежде
BcerO второй), в результате чеrо кривая i иам , бр часто ока-
зывается полностью смещенной относительно оси времени;
затухание броска происходит медленнее, чем токов КЗ в си-
стеме; для трехфазных трансформаторов (автотрансформа
торов) броски в одной из фаз, достиrая значений 1 2-KpaT-
ных амплитуд J HOMJ MorYT не содержать апериодической
слаrающеЙ; если нейтраль трансформатора с питающей
стороны заземлена (сеть с Ином :;;,-11 О кВ), то с учетом не-
одновременности замыкания фаз включающеrо выключа-
теля в цепи заземления нейтрали трансформатора кратко-
временно появляется ток, замыкающийся через заземлен-
ные нейтрали питающей системы и практически исчезающиЙ
после завершения включения всех трех фаз.
Исследования бросков проводились как за рубежом, так
и, особенно широко и rлубоко, в НПИ (А. Д. Дроздовым
и ero учениками А. С. Засыпкиным, [. В. Бердовым, В. А. Бо-
рисовым и др.). Блаrодаря авторитету А. Д. Дроздова нпи
совместно с Южным отделением эсп (r. в. Бердов и др.)
на базе теоретических и экспериментальных исследований
удалось создать методы расчета бросков, по точности при-
емпемые для техники релейной защиты.
Для защит сетеЙ особенно важны расчеты токов в ней-
106
трали трансформаторов, так как они в виде составляющих
нулевой последовательности проходят по защищаемым ли-
ниям сети. Широко используемые в сетях с Ином 110 кВ
токовые защиты и токовые направленные защиты нулевой
последовательности, если они не имеют выдержек времени,
от этих бросков тока должны отстраиваться, особенно на
линиях с ответвлениями.
В указаннЫХ выше работах приводится следующее
окончательное выражение для броска тока в нейтрали вклю-
чаемоrо трансформатора:
J ,бр == Ином ca ) IVЗХрасч' (1.23)
rде Ином номинальное напряжение сети; Храсч===Хtс+
+Х1Л+Х К\; (к) индекс, обозначающий вид включения;
C ) коэффициент броска, учитывающий зависимость деЙ-
ствующеrо значения тока (J иам , БР) от характера затухания
броска, последовательности включения фаз и сорта стали
маrнитопровода. В [36] даются конкретные предложения по
определению отдельных слаrаемых выр ажения (1.23). по-
лезны также указания в раБОТ,е [81].
ТОКИ самозапуска. Токи самозапуска возникают, напри-
мер, после успешноrо отключения поврежденноrо элемента
ero защитами, успешноrо автоматическоrо повторноrо вклю-
чения элемента, на котором было КЗ, при автоматическом
включении резерва и т. д. Токи самозапуска при наrрузке
с асинхронными двиrателями, резко снижающими свое со-
противление при уменьшении частоты вращения, MorYT
быть в несколько раз б6льшими максимальных рабочих то-
ков защищаемоrо участка (rл. 14). Они существуют крат-
ковременно, однако должны учитываться при выборе па-
раметров срабатывания защит даже с выдержкоЙ времени.
1.8. ОПИСАНИЕ И ИЗОБРАЖЕНИЕ СХЕМ ЗАЩИТ
Описание и изображение схем защит прежде Bcero опре-
деляется элементной базой, используемой для их осущест-
вления. Проrраммные защиты, реализуемые на микропро-
цессорноЙ элементноЙ базе, характеризуются алrоритмами
их функционирования и выполненной для них проrраммоЙ.
Защиты на электромеханической и полупроводниковой эле-
Ментных базах MorYT также характеризоваться алrоритма-
ми их функционирования и, описываемыми соответствующи-
ми аналитическими выражениями. Однако часто более
удобно использовать схемы этих защит. Соrласно [ОСТ
107
эти схемы подразделяются на следуЮщие основные типы.
структурные> функциональные, принципиальные (полные)
и монтажные.
Структурная схема включает только основные функци-
ональные части защиты и основные взаимосвязи между ни-
ми. На функциональной схеме изображаются отдеЛЬНые
элеыенты устройства и связи между ними; эта схема не да-
ет, однако, представления, о видах релейной аппаратуры,
в частности о том, какие opraHbl (реле) используются
электромеханические с контактами или статические бескон-
тактные. Принципиальная схема определяет полный состав
элементов и связей между ними и дает, в частности, указа-
ние о виде применяемых opraHoB (реле). На монтажной схе-
ме кроме изложенноrо указываются провода, кабели, кото-
рыми выполняются все соединения, а также места их при-
соединения и ввода (зажимы, разъемы и т. п.). Необходимо
отметить, что в ряде случаев не получается четкоrо разrра-
ничения между структурной и функциональной, а также
функциональной и принципиальной схемами.
Принципиальные схемы обычно изображаются в одно-
линейном (однофазном) или в трехлинейном (трехфазном)
виде, в совмещенном или разнесенном (развернутом) виде
(rOCT это допускает и для функциональных схем). в на-
стоящее время, как правило, используются только разнесен-
ные схемы. На разнесенных схемах opraHbl (реле) в целом
не показываются. Составляются отдельные схемы для це-
пей, непосредственно питаемых от ТА, TV и от ИСТОЧНИ-
KO оперативноrо тока (например, аккумуляторных бата-
реи). При этом части одноrо и Toro же opraHa (реле) или
друrоrо аппарата оказываются изображенными на разных
схемах или в разных частях одной схемы.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы функции комплекта релейной защиты?
2. Какая защита называется основной и какая Р езе р в-
ной?
3. На какие rруппы подразделяются отказы функциони-
рования защиты?
4. Объясните понятие эффективности функционирования
защиты.
5. Какие существуют подходы классификации свойстВ
защиты?
6. На какие основные rруппы делятся защиты по спо-
собам обеспечения селективности при внешних КЗ?
108
7. Какие основные виды каналов связи MorYT приме-
няться для выполнения релейной защиты элементов энерrо-
системы?
8. На какие основные типы подразделяются способы
изображения схем защиты?
rлввввторвя
opr АНЫ ЗАЩИТЫ И ИХ ЭЛЕМЕНТНЫЕ БАЗЫ
2.1. opr АНЫ ЗАЩИТЫ И ИХ СВОйСТВА
Устройства защиты, как указывалось выше (см. рис.
В.2), содержат две rлавные части измерительную и ло-
rическую. Каждая из них в общем случае состоит из не-
сколькИх opraHOB. Указанные части и их opraHbI не всеrда
имеют отдеЛЬНое конструктивное выполнение. Нередко, на-
пример, при электромеханической и особенно микропроцес-
сорной элементных базах некоторые или даже большинст-
во их орrанически сочетаются и входят в устройство защи-
ты в неявном виде. Однако вне зависимости от используе-
емой элементной базы opraHbl защиты обладают рядом
общих или достаточно близких принципиальных свойств.
Измерительным opraHoM (ИО) защиты может быть на-
звана совокупность взаимодействующих функциональных
элементов, перерабатывающих воздействующие величины
на входе в сиrнал на выходе с дискретной величиной, име-
ющей одно из двух возможных значений, соответствующих
условиям сработал opraH или не сработал. Измеритель-
ные opraHbI выполняются по возможности быстродейству-
ющими. К ним относятся, в частности, электрические реле
в случае выполнения их без выдержки времени. Поэтому
ряд терминов существующеrо rOCT на реле MorYT быть
использованы, в дополнение к приведенным в В.1, и для
друrих разновидностей ИО. В соответствии с указанным
можно сказать, что к ИО в общем случае подводятся воз-
действующие величины, подаваемые от первичных Т А и TV
и представляющие токи и напряжения, необходимые для
достижения в заданных условиях функционирования opra-
На, и вспОМ02ательные воздействующие величины (подводи-
мЫе, например, от источника оперативноrо тока) для выпол-
нения тех же функций.
Характеристической называется величина, являющаяся
109
функцией оздействующих величин и определяющая функ-
циональныи признак opraHa, например ток для opraHa
тока, уrол между векторами напряжения и тока для ор-
raHa направления мощности.
Из воздействующих величин F (и, I), соответствующим
образом преобразованных, осуществляется формироваНие
новой величины Н для сран.нения с заданной Н зад или двух
Н (H i , H j ) между собой. Первый вариант характерен для
opraHoB с одним независимым вектором одной сравнива-
емой величиной: током (opraH тока), напряжением (opraH
напряжения); к ним следует также отнести такие более
сложные opraHbl, как, например, реаrирующие на симмет-
ричные составляющие токов или напряжений. Второй ва-
риант характеризует opraHbl с двумя независимыми векто-
рами двумя сравниваемыми величинами: обычно током
и напряжением (orpaHbl направления мощности, opraHbl со-
противления и ряд друrих). Существуют также opraHbl с
тремя и более сравниваемыми величинами Н, в которых ис-
пользуется соответствующее им число независимых векто-
ров. В таких opraHax производится предварительное, на-
пример попарное, сравнение величин Н и только после ЭТО-
ro осуществляется окончательное решение о результатах
их функционирования. К последним opraHaM сравнения от-
носятся, например, иноrда используемые на праКТИКе мно-
rофазные opraHbl сопротивления.
В технической литературе часто СОВОКУПНQСТЬ восприни-
мающей и преобразующей частей ИО именуют схемой фор-
мирования (СФ), а сравнивающую и иноrда ее совместно
с исполнительной схемой сравнения (СС).
Измерительный opraH с одной сравниваемой величиной
Н срабатывает, если ее значение становится равным задан-
ной конечной величине Н зад . Существуют максимальные и
минимальные ИО. Максимальными называют opraHbl, сра-
батывающие при Н;;;::Н зад . Им соответствует значение ха-
рактеристической величины, называемое параметром сра-
батывания, например ток срабатывания /с,о (/с,р).
Измерительный opraH с двумя и более сравниваемыми
величинами обычно имеет очень малые значения Нзад> в
предельном случае равные нулю. С учетом этоrо можно
положить, что такие opraHbl, например с двумя Н, сраба-
тывают, если Hi;;;::H j или соответственно Hi Hj. ИХ сраба-
тывание обычно характеризуют соответствующим значени'
ем характеристической величины, например для opraHa со-
противления сопротивлением срабатывания Zc,o (Zc,p).
110
ОНИ также MorYT быть максимальными и минимальными;
opraHbl сопротивления, как правило, выполняются мини-
мальными. Вид преобразования входных величин F в Н оп-
ределяется используемой элементной базой. Так, например.
у электромеханических opraHOB (реле) F преобразуется
обычно в момент пружины, у полупроводниковых в на-
пряжение или длительность импульсов; соответствеино
Нззд представляет тоrда заданный момент пружины, стаби-
лизированное напряжение или заданный интервал времени.
Измерительные opraHbl имеют область срабатывания.
Для opraHa с одной сравниваемой величиной Н область
срабатывания располаrается на числовой оси (рнс. 2.1, а),
+}
Чl1t1ftJ8ая
О ось
ООласть ООl1асть
несраба сраба
ты8анu.я mы8анu.я
+ б)
Область
несрабаmы
8анu.я
а)
о
Рис. 2.1. Области срабатываиия измерительиых орrаиов
для opraHa с двумя сравниваемыми независимыми величи-
нами на плоскости (рис. 2.1,6), для opraHa с тремя и
более независимыми величинами в пространстве COOTBeT
ственно с тремя и более координатами. Для opraHoB с дву-
мя величинами область срабатывания оrраничивается так
называемой характеристикой, представляющей линию, от-
деляющую область срабатывания от области несрабатыва-
ния (например, рис. 2.1,6). Идеальная (или просто харак-
теристика) характеризуется случаем, коrда Нзад===О. Ре-
альная характеристика учитывает наличие не равной нулю
Н зад и ряд причин, определяемых типом и свойствами ис-
пользуемой элементной базы, поrрешностями ТА и TV,
особенно при переходных процессах, и т. д.
Необходимо отметить, что как в зарубежной, так и в
отечественной литературе часто rоворится о характеристи-
ках срабатывания без подчеркивания Toro, что они при
Н>2 условны, относятся к частным условиям и справедли-
вы только при Н===2. Следует обратить внимание и на то,
что рассмотренные описания условий срабатывания ИО,
называемые обычно алеоритмами их срабатывания, MorYT
III
иметь весьма различный вид (например, зависящий от эле-
ментной базы) и поэтому не MorYT однозначно характери-
зовать принцип работы opraHa.
2.2. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ И АНАЛИЗА РАБОТЫ ИО
Существует ряд методов описания и анализа работы
ИО с числом сравниваемых величин Н;;;::'2. К ним относят-
ся следующие: аналитический; с использованием комплекс-
ных плоскостей (обычно сопротивлений), элементов век-
торной и булевой (лоrики) алrебр, статистических испыта-
ний моделирования (метод Монте-Карло); с использова-
нием плоскости вольт-амперных характеристик (ВАХ). ДО
40-х rодов обычно применялись аналитические методы в
элементарном, несистематизированном виде. В 40-е и По-
следующие rоды в отечественной практике и за рубежом
Широкое распространение получил метод с использованием
комплексной Плоскости, в том числе и в учебных пособиях
по элементам автоматических устройств электроэнерrети-
ки [37, 38]. В последние rоды, в особенности в связи с наме-
чаемым широким внедрением микропроцессорной техники,
вновь большое внимание начинают уделять аналитическо-
му методу в современной ero интерпретации [9, 16].
Аиалитический метод непосредственно базируется на изложенных
ВЫl1lе свойствах ИО. Алrоритм формирования каждой сравниваемой в
нем велнчины Н в общем случае запнсывается в виде функцин, ниже
называемой '1' -функцией:
Н==1J'{F 1 ,F з ,...,F m ), (2.1)
rде FI, Fz, ..., Р т , как указывалось, воздействуЮщне величины (на-
прнмер, U. 1). соответствующим образом преобразованные. В общем
случае измерительиая часть описывается системой выражений вида
(2.1); в частном, но весьма распространенном случае измерительную
часть удается описать единственной 'I'-функцией.
Сравнивающая часть производит сравнение значений, сформиро-
ванных в формирующей части величин, с заданными значениями На..
или между собой и в общем случае описывается системой, состоящей
из п функций вида
Ф (H i , HJ)== { 1 при Н ! :). Н};
о при Н, < Н}
и одн{)й резуЛЬТирующей лоrической функцией вида
{ 1;
Л (Ф 1 , Ф з ,"', Ф п ) ==
О.
(2.2)
(2.3)
Если сравненне производится с заданным зиачением Н зад , то H/
112
нз.д условие срабатывания для макснмаЛЬНОrо ИО и НiО;;;;Дзад
для минимальноrо. AprYMeHTbl Н функции Ф принадлежат множеству
действнтельных чисел. Область значений функции Ф дискретна и вклю-
чает Bcero два значения 1 или О, отражающих результаты сравне-
НИЯ соответственно сработал ИО или нет.
При общем числе сформнрованных и заданных неизменныын срав-
ниваемых величнн больше двух сравниваемая часть описывается си-
стемой функций Н вида (2.1); С учетом результатов попарноrо сравне-
ния прннимается окончательное решенне о срабатыванин или несраба-
тыванин ИО в соответствии с выражением (2.3). Функция Л включает
стандартные лоrическне операцин, дополненные при необходимости опе-
рациями задержек по времени. Прн общем числе сравниваемых вели-
чин не более двух лоrическая часть Л описывается единственной функ-
цией Ф вида (2.2) и (2.3) отсутствует. Состояние ИО в этом случае
соответствует значению функции Ф.
Система функций (2.1), (2.2) н (2.3) дает, таким образом, полное
анадитическое описание алrоритма функционировання ИО при условии
раскрытия входящих в нее функций и состава aprYMeHToB. Некоторые
соображення по этим вопросам даны ниЖе. Использованне рассмотрен-
Horo метода особо необходимо н эффективно при микропроцессорной
элементной базе.
Метод может быть распространен и на описанне совокупноrо дей-
ствия нескольких ИО, а с учетом лоrической части и на устройство
защиты в целом.
Использование комплексной плоскости. Этот метод является раз-
работанным наиболее полно. Впервые ero, по-видимому, использовал
в конце 30-х rодов Варринrтон. В СССР большую работу по ero раз-
витию выполнили В. Л. Фабрикант, а также друrНе работники МЭИ и
РПИ [37, 38]. Последняя по времени работа принадлежит Э. М. Шне-
ерсону [15]. Здесь же только кратко изложен приицип и дана оценка
метода с учетом Toro, что ero элементы используются и при аналити-
Ческом подходе. В первую очередь рассматривается схема сравнения
ИО с двумя входными синусоидальными (Р. и Р 2 ) и двумя сформиро-
ванными (Н. н Н 2 ) величинами.
I(акбыло показано еще в КОнце 40-х начаЛе 50-х rодов. сравне-
Ние величин Н может осуществляться по абсолютному значению или
по фазе с получением одинаковых характеристик срабатывания. Вели-
Чины Н 1 и Hz формируются по выражениям
!!1 == 1 1 + 2 2 И!!2 == 3!1 + 4 2'
(2.4)
В ИО защит часто в качестве Н. и Hz используются соответствен-
но подобранные И и 1; при этом
!!1 == 1 Ч + 2 и !!2 == з!! + 4. '
(2.5)
113
8 855
Различные характеристики срабатывания можно получать, выБИРая
соответствующие kl k4. Это важно, в частности, с точки зрения вы.
полнения на одной и той же схеме сравнения различных opraHoB.
Возможно непосредственное сравнение Н! и Hz в комплексной
ШIOскости (+j, +), которую принято обозначать W. При сравнении по
абсолютному значению идеальноЙ характеристике вне зависимости 01'
..-....
уrла чr НIН2 аrg(Нl/Н2) соответствует
W е I !!;/!!; 'с 1.
(2.6)
Она представляет собоЙ окружность с центром в начале КООрдииат
и радиусом Wc 1 (рис. 2.2, а). Области срабатывания заштрИхованы.
Рис. 2.2. Характеристики схем
сравнения в комплексной плос-
кости W AIB
При сравнении по фазе при заданных уrлах <Р! и <Р2 еЙ соответствуют
(рис. 2.2, б) условия
<ре! arg (1j;/ !!;)с и <Ре2 arg (!!;/ !!;)с'
(2.7)
При обычно принимаемом <Pc2 <pe! л; характеристика, изобража-
ется в общем случае двумя лучами, выходящими из начал координат
под уrлами <ре! И <РС2, представляет одну прямую. Область срабатыва-
ния заштрихована. Необходимо отметить, что одни и те же характери-
стики срабатывания получаются при
!!; o,5(!!;+!!;) и !!; O'51!! !!;I )
!!; == !!; +!!; и 1!.; !!; !!;.
Это еще раз подчеркивает возможность получения одинаковостИ
результатов сравнения по абсолютному значению и фазе при соответ-
ствующем выборе формируемых величин. Практически оказывается це-
лесообразным использовать комплексную плоскость не для сравненИЯ
Н. и Н2, а для сравнения входных величин Fl и F 2 . Применительно к
комплексноЙ плоскости сопротивлениЙ Z можно rоворить о комплекс-
или
(2.8)
l ' 1
,
IIыx величинах Z U / 1. Существуют математические приемы перехода
от использовани';i плоскости w к плоскости Z.
Для сравнения в комплексноЙ плоскости Z абсолютных значениЙ
идеальная характеристика срабатывания, если: полаrать н; H;, опи-
сыаетсяя выражением
I c \/1 c l! I k,
(2.9)
rде b k2/kl, а k4/kз особые точки в плоскости Z; коэффициент
k==k;/k l .
Характеристика представляет собоЙ (рис. 2.3, а) rеометрическое ме-
сто точек (концов комплексов Ze), отношение расстояния которых до
двух заданных особых точек а и Ь постоянно и равно k. Показывается,
+j
а
+Н
о)
+R
4)
Рис. 2.3. ОбщиЙ случаЙ определения параметров реле сопротивления,
сравнивающих:
а абсолютные значення величин И.!!; 6 их фазы
что при k+1 характеристика представляет окружность, а при k 1
Прямую. При сравнении фаз, учитывая, что arg(H / н;) arg(Ze b) /
/k(Ze a) и argk(Ze a) argk+arg(Z,, a), и обозначая argk';:- , МЯ
Случая <Pe2 <Pel Л получаем выражения для идеальноЙ характеристики
Срабатывания
<Ре! arg ( e )/( e ); }
<Ре! + л; arg ( e )/( c ).
(2.10)
AprYMeHT (Ze b) /(Ze a) представляет уrол, на которыЙ комплекс
Zc a) OTCTaeT OT комП-лекёа C ) (рис. 2.3, б). Соотношения (2.10)
Удовлетворяются, если характеристика срабатывания представляет ок-
РУЖность. В частном случае при <pel o характеристика оказывается
ПРямой линией.
8*
115
Из изложенноrо следует, что основным для описання характери
стик в плоскостн двух независнмых сравниваемых велнчнн Н 1 и Н 2 яв-
ляется целесообразный выбор положения точек а и Ь и коэффициентов
kl k4' При этом необходимо учитывать. что прн ёравненни абсолют_
ных -Значеннй одна нз точек а. Ь должна располаrаться в области сра.
батывания, а друrая вне ёё. I1PH сравненин по фазе обе указаНные
точки располаrаются на характеристике срабатывания.
На практнке каждая нз указанных характеристик часто описыва-
ется уравнениями. имеющими разную форму. Ннже приведены три из
возможных форм. Уравненне в комплексной форме абсолютных значе-
ний: IZc O.5(Z' +Z") I O.5IZ' Z"1 o. Уравнение с разложением :0
на слaraющне Rc H Хс: (Rc-=---R"J 2+ (Xc Xo)2 R2 O, rде R радиус
окружности; Ro и Хо координаты ее центра.
Уравнение в триrонометрической форме при расстоянни ее центра
от начала координат р, уrле <рр между Zc и Rc и уrле <РР <РРтахч.. со-
ответствующем максимальному возможному Zc: Zc 2pZc cos(<pp
<Рртахч) +p2 R2 O.
Всемн приведеннымн выражениями можно воспользоваться для пе-
рехода к уравненням. связывающим воздействующие величнны F (на-
пряжения н токи) в условиях срабатывания. Элементы MorYT быть. как
указывалось выше. полезны и прн аналитнческом меТОде для формиро-
вання величин Н. Ero основным недостатком является малая прнrод-
ность при микропроцессорной базе н при числе незавнсимых сравнива-
емых величин более двух. Необходимо, однако. отметнть, что прн ряде
допущеннй метод ,комплексных плоскостей успешно использовался и
для последнеrо случая в работах С. Я. Петрова, Е. А. Аржанникова,
В. А. Шабанова. Э. М. Шнеерсона.
Метод с использованием векториой алrебры. Применительно к
сравнению независимых величин Н 1 и Н 2 по фазе при условни <Pc2
<РСl зt. если входные величины F непосредственно применяются для
сравнения. срабатывание opraHa определяется с использованием вектО'
ров выражением
sigп <!::1 Х Е.2) :;:,. О,
(2.11)
rде sigп функция «знак:t, а знак Х означает векторное произведение.
'соответствующее математическим понятиям векторной алrебры. отлИЧ-
ным от прннятоrо в электротехиике произведения двух величин.
Если необходимо, чтобы срабатывание происходило при уrле меЖ-
lJ.y F 1 и F 2 В диапазоие, отличном от eCTecTBeHHoro, один из ,векторОВ
следует повернуть иа требуемый уrол 'У. например принимая Нl !1.
H2 F2i!jy:
sign (!!.1 Х !!2) == sign <!::1 Х Е.2 ej :;:,. О.
(2.12)
116
Правомерность нспользования векторной алrебры определяется тем,
что в электрнческнх цепях векторы, изображающие комплексы, MorYT
рассматриваться как настоящне компланарные векторы лежащие в
одной плоскостн И отнесенные к одному общему началу.
Как нзвестно. различают векторное (рассмотренное) н скалярное
произведения двух векторов. Последнее также может быть нспользо-
ваНО для рассматрнваемых целей. Прн этом необходимо отличать по-
нятня простоrо алrебранческоrо перемножения скаляров, напрнмер ам-
плитуд. действующнх значений (напрнмер. FIF2 UI) от скалярноrо
пронзведення векторов Fl.F2 FlтF2т cos <Р. rде F 1т И F 2т модули
векторов; тоЧка (.) знак их произведения, а <р уrол между ними.
Скалярное произведенне в зависимостн от <р может быть как положн-
тельным. так н отрнцательным.
В РПИ (В. Л. Фабрнкант) [11] были предложены общне критерни
срабатывання ИО с чнслом независимых сравниваемых величин Н>2.
Эти крнтерни с нспользованнем. например, векторных прозведеннй ве-
личин Hl. Н2, .... Н n И алrебры лоrнки имеют форму неравенств и четко
определяют область срабатывания. Этн критерин далее уточнялись
Эль-Хадиди (Еrипет) на кафедре РЗиА в МЭИ н впоследствин друrи-
ми авторами. Рассмотренный метод особенно эффектнвен прн Н>2.
Он также может использоваться и при сравненин двух Н. а также в
аналитнческом методе при формировании сравниваемых велнчин.
, Метод статистических испытаний (моделирования), иноrда иазы-
ваемый методом Монте-Карло. прнменнтельно к вопросам релейной за-
щиты разработан в РПИ (А. С. Саухатас и др.). Он дает общий под
ход к решению разных вопросов, в том чнсле н к анализу поведения
разноrо рода ИО. Однако метод обладает н некоторыми недостаткамн.
К ним можно отнестн отсутствне rнбкостн. наrлядностн. Задача реша-
ется вся целиком. поэтому затруднены оценка влняния отдельных фак-
торов. а следовательно. н определение целесообразности мер по обеспе-
Чеиию более эффективноrо выполнения ИО. упущены мероприятия,
более леrко выявляемые при непосредственном формированни ИО из
Подаваемых на He.ro воздействующих величин. Методом успешно поль-
ЗУются в РПИ н некоторых друrих орrаннзацнях с привлеченнем для
расчетов ЭВМ. Широкоrо распространення метод не получил.
Метод с использованием плоскости и, 1 (ВАХ). Метод разрабо-
Тан во ВНИИЭ Я. С. rельфандом [9]. Он предусматрнвает изображе-
Ния в прямоуrольной системе координат зависимостей Uпр f(lпр),
rДе U пр напряженне на шинах защищаемоrо присоедннения (линии)
ОТ проходящеrо по нему тока. иапрнмер тока КЗ в разных режимах
работы. в том числе при КЗ через переходные сопротивления Rп. и ха-
рактеристнк срабатывания простых защнт. например токовых. полноrо
Сопротнвления с Zс.о сопst. Их СоВместное рассмотрение дает возмож-
НОсть определения защищаемых зон. удобноrо соrласовання чувствн-
117
тельностей указанных защит между собой и решения некоторых друrих
задач. Не являясь универсальным, метод заслуживает более Широкоrо
применения, чем тот, который пока имеется, например для соrлаСОва.
ния параметров защит смежных элементов с относнтельной селектив-
иостью, имеющих различные принципы выполнения [9].
2.3. СВОЙСТВА лоrИЧЕСКИХ opr ЛНОВ
Лоrическими орrанами (ЛО), как и измерительными,
MorYT быть реле, поэтому для них используются некОторые
термины и определения [ОСТ на реле.
Функционирование ЛО определяется воздействующей
величиной, представляющей обычно напряжение источника
оперативноrо тока, которое нормируется по допустимым
пределам отклонений от HeKoToporo (например, номиналь-
Horo) значения.
Лоrические opraHbI преобразуют дискретную входную
информацию, представляемую сочетанием входных сиrна-
лов от ИО, в дискретную же выходную. По характеру функ-
ционирования во времени рассматриваемые opraHbI, назы-
ваемые в некоторых случаях также автоматами, делятся на
комбинационные однотактные без памяти и последова-
тельные MHoroTaKTHbIe с памятью (конечные автомати-
ческие выключатели).
Функционирование однотактных opraHoB полностью оп-
ределяется сочетанием входных сиrналов в данный момент
времени, а MHoroTaKTHbIx дополнительно их внутренним
состоянием в момент времени, предшествующий данному,
т. е. сиrналами, поступившими на вход раньше; это дости-
rается обычно с помощью промежуточных элементов, реа-
лизирующих различные временные операции.
Лоrические opraHbI иноrда используются дЛЯ ИО непо-
средственно, например для осуществления opraHoB, пред-
ложенных в ИЭИ (О. В. Лебедев) и в МЭИ (В. В. Будкин).
Такие ИО MorYT быть названы лоеuческuмu. Простые ЛО
MorYT также являться элементами ИО, например в ИО с
числом независимых сравниваемых величин больше двух.
Алrоритм функционирования совокупности ЛО, образу-
ющих лоrическую часть устройства защиты, аналитическИ
описывается системой лоrических функций, по структуре
аналоrичных (2.3). При этом арrументами являются пере-
менные, отражающие состояние ИО и, в общем случае, со-
стояние коммутационной аппаратуры (например, выклю'
чателей) .
118
Определяющее значение для анализа и синтеза работы
ЛО и лоrической части защиты в целом имеет аппарат ал-
rебры лоrики. Алrебра лоrики является исторически пер-
вым направлением математической лоrики. Ее основы были
разработаны в середине прошлоrо века анrлийским ученым
Д. Булем, отсюда название булева алrебра. В этой алrеб-
ре все независимые переменные и функции MorYT принимать
только два значения: истинно или ложно, есть или нет. Для
обобщенноrо описания эти значения принимаются соответ-
ственно р{!вными 1 и о. Большие работы по использованию
ал еб ы лоrики и ее дальнейших разновидностей для ре-
леинои защиты в послеДНие десятилетия были проведены в
УПИ (В. Е. Поляков и др.) [13].
Основными элементарными лоrическими операциями
являются дизъюнкция (ИЛИ), КОнъюнкция (И) и инвер-
сия (НЕ). Операция ИЛИ представляет лоrическое сложе-
ние: У===Хl +Х2+ ...+Х". Знак СJ10жения обозначают через
«+» или «V». Зависимая переменная у принимает значе-
ние 1, Коrда 1 равна одна из независимых переменных,
или часть их, или все они. Операция соответствует парал-
лельной работе элементов схемы. Операция И представляет
лоrическое умножение У===Хl' Х 2 ..... Х". Знак умножения
обозначают через «.» или «1\». Переменная у принимает
значение 1, Коrда Х1, Х 2 и т. д. равны 1. Операция соответст-
вует последовательной работе элементов схемы. Операция
НЕ представляет лоrическое отрицание: у Х . Переменная
у принимает значение 1, коrда х===о и, наоборот, у===о при
х=== 1. Таким образом, операция осуществляет инверсию х.
Три рассмотренные элементарные операции дают воз-
можность реализации любой более сложной функции. Они
аН I меж у собой законами инверсии, по которым Хl+
+Х 2 ===ХI Х 2 и Х1Х2===Хl+Х2. Законы инверсии позволяют, в
частности, производить замену одной лоrической операции,
например И, схемой, содержащей элементы НЕ и ИЛИ,
и т. п.
Непосредственное использование для MHoroTaKTHbIx ло-
rических opraHOB булевоЙ алrебры невозможно. Потребо-
валось расширеНие основ этой алrебры. Одна из первых ра-
бот в этой области опубликована в 1953 r. в США Э. Берк-
.1И. В частности, им был введен оператор D временной
задержки. Часто используемым является элемент, осуществ-
.7IЯющий задержку появления сиrнала D l t , сиrнал появля-
ется спустя время t 1 после подачи входНоrо сиrнала. Опе-
119
ратор D может быть, например, реализован в виде элемен-
та или opraHa выдержки времени. Используя ero совместно
с элементами ИЛИ, И и НЕ, можно создавать и друrие
BpeMeHHbIe элементы.
Основные законы булевой алrебры остаются справед-
ливыми и для MHoroTaKTHbIx opraHOB. Имеется, оказывает-
ся возможность выражения каждоrо BpeMeHH6ro операто-
, . t
ра через любой друrой (не 'только D 1 ) С использованием
лоrических функций ИЛИ, И и НЕ. Развитие математиче-
ской лоrики привело к созданию ряда высших лоrических
функций, таких как пороrовые, симметричные, комбиниро-
ванные и др, (см., например, [13]). Использование этих
функций, возможно, обеспечит лучшее осуществление лоrи-
ческих частей релейной защиты. Практическая реализация
рассмотренных основных лоrически операций существля-
ется в зависимости от используемо и элементнои базы: при
электромеханической на контактах реле, при полупро-
водниковой специальными элементами, при микропро-
цессорной самими микропроцессорами.
2.4. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Общие свойства. Электромехаиическая элементная база использу-
ет в качестве орrаиов реле с контактами. Их работа основана на от-
иоснтельиом перемещении механических элементов под воздействием
тока, проходящеrо по обмоткам реле.
В реле электромаrинтиая энерrия поля преобразуется в механичес-
кую энерrию перемещения подвнжной части. Часто используется уrло-
вое перемещение а; при этом рассматривается вращающий момент
(а не сила) М ЭМ t (MrHOBe!lHOe значение), выражение для KOToporo вы-
текает из уравнений Лаrраижа, являЮщихся уравнениями динамики
системы
М ЭМt == dWэмt/ dа ,
(2.13)
rде W ЭМ t электромаrнитная энерrия поля для момента времени .
Практнческн используется только измененИе маrнитной составляЮ-
щей энерrнн. Она может быть представлена в следующем виде:
n n 1 n
Wэмt==О,5 Lpi + Mpkipik. (2.14)
p l p l k p+l
rде i/t, [ р токн В контурах k и р устройства; L p и МрА коэффнциен'
ты самоиндукции н взаимоиндукции контуров этих токов.
Электромеханнческие системы MorYT использоваться для создаи иЯ
120
реле с одной, двумя и несколькими воздействующими электрическими
величииами.
В реле с одной воздействующей величиной (измерительное или ло-
rическое реле) осуществляется сравнение вращающеrо момента М ЭМ с
заданным противодействующим моментом М ПР , как правило, создавае-
мым пружиной. Приходится также учитывать момент М тр , определяе-
мый трением, который, как и М ПР , препятствует срабатыванию реле, но
в отличие от последнеrо препятствует и возврату.
В реле с двумя и более воздействующими величинами примени-
тельно к измерительным реле осуществляется сравнение сформирован-
ных из них величин между собой. Принципиально для таких реле М пр
вреден, так как требует для срабатывания б6льших значений входных
величин. Однако практически М пр иноrда создается (безмоментной
пружиной) для обеспечения четкоrо положения подвижной части реле
в начальном состоянии (при отсутствии воздействующей величины).
Для срабатывания и возврата электромеханическоrо ре,1е на всем
пути перемещения подвижной части должны выполняться соответст-
венно условия Мэм,с;;;'Мпр+Мтр и МЭМ'С МПР МТР' Возможные при ра-
боте реле соотношения моментов в функции уrла поворота а показаиы
на рис. 2.4, а. Момент М тр принят не зависящим от уrла а МПР МПР,'+
+k(a a.), а МЭМ,с нарастающим с увеличением а и имеющим при
a aK избыточное значение М изб над суммой МПР+М' ТР ' Принятый ха-
рактер изменения МЭМ,с обеспечивает «опрокидывание» подвижной ча-
сти (начав движение, она не задерживается в промежуточном состоя-
нии) !I необходимое нажатие в контакте реле. При этом rоворится о
наличии положительной обратной связи МЭМ,с возрастает при притя-
rивании якоря, а сам режим называется релейным. Такое же целесо-
образное опрокидывание обеспечивается и при возврате.
Важным коэффициентом, характеризующим рассматриваемую ра-
боту реле как ИО, является ero коэффициент возврата k B , определяе-
Мый отношением значеиия величины возврата к значению величины
срабатывания. Для максимальных реле (opraHoB) k B , определяемый для
точки а к , как соответствующей завершенному срабатыванию, будет
характеризоваться отношением
Мзм.в.и/Мэм,с и == Мпр,и + М тр + (Мнр,и Мтр)/МиЗб' (2.15)
КОЭффициент k B для ИО, как будет видно из дальнейшеrо, в целях по-
ВЫшения чувствительности защит желательно иметь по возмОжности
близким к едииице. Ero отклонение от единицы определяется М. зб и
М тр .
Для часто используемых на практике электромаrиитных реле тока
Типа РТ-40 соответствующие зависимости даны на рис. 2.4, б.
Для ,10rических реле значение k B является не столь существенным,
Как д. я измерительных. Это определяется тем, что при возврате лоrи-
121
М
М И3б
М тр
Мпр,н а) М пр ,Н d)
о::н (J(K о:. о:: н (ХК о::
М ю6 , К
I1 пр ,К+ М ТР
М тр
о(
а)
o: rx.H
Рис. 2.4. Зависимостн моментов от уrла поворота подвижноrо Э.1емента
реле
ческих реле, который обычно происходит после возврата измерительных
реле, МЭМ,в О.
Необходимо отметить, что имеется ряд разновидностей измеритель-
ных реле, у которых затруднительно обеспечить «опрокидывающий» ха-
рактер зависимости Мэм f(Cf.) (рис. 2.4,8). Это является, как следует
из изложенноrо, их недостатком. Практически это бывают индукцион-
ные реле с цилиндрическим ротором с двумя и более воздействующими
величинами, которые принципнально не нуждаются в противодействую-
щей пружине. Уrол поворота aK aH выбирается при этом весьма не-
большим. Все это определяет у таких реле приемлемые условия рабо-
ты и k B .
Значения вращающих электромаrнитных моментов определяютс
выполнением маrнитной системы и мдс F lpW обмоток; под обмоткоИ
при этом понимается совокупность витков W с одним и тем же током.
Промышлеиность стремится использовать одни и те же маrнитные
снстемы для осуществления измерительных реле с разными характери-
стиками. Поэтому большое внимание обращается иа принципы размеще-
ння обмоток на заданных маrнитных системах. Научное рассмотрение
122
выполнения различных измерительных реле на одной и той же маrнит-
ной системе, что было важно для орrанизации их производства, было
теоретически показано А. д. Дроздовым в 1937 r. Исчерпывающие ис-
следования были выполнены в 40 50-e rоды В. Л. Фабрикантом [3J.
Для осуществления электромеханических реле преимущественно исполь-
зуются электромаrнитные и индукционнЫе системы.
Использование электромаrиитиых систем. Электромаrнитными на-
зываются реле, работа которых основана на воздействии маrнитных
полей неподвижных обмоток на подвижный ферромаrнитный элемент
(якорь). Вращающий момент М ЭМ t определяется первым членом вы-
ражения (2.14), так как ero второй член в данном случае равен нулю.
Энерrия маrнитноrо поля, например, измерительноrо реле тока с
одной обмоткой и током в ней i p в соответствии с (2.14) W ЭМ t O,5i L.
Ток i p как поступающий от ТА, являющеrося источииком тока, не за-
висит от параметров электромаrнита и положения якоря, характеризуе-
Moro уrлом ero поворота а. Поэтому при повороте якоря изменяется
только коэффициент самоиндукции L, и с учетом (2.13)
М эмt дWзмt/дCf.== O,5i dL/dCf.. (2.16)
Из (2.16) следует, что направление М ЭМ t не зависит от знака тока
i p . Поэтому электромаrнитные системы MorYT использоваться для рабо-
ты как на переменном, так и на постоянном токе с одной воздействую-
щей величииой.
Значение М ЭМ t В предположении, что ток i p синусоидален, равно
М О 512 sin 2 mt dL /dCf. == k /2 dL/dCf. k l /2 p cos 2mt dL/dCf.. (2.17)
ЭМt 'тр 1 р
Первый член (2.17) не зависит от времени и дает среднее за пери-
од зиачение М ЭМ ; второй член представляет собой rармоническую со..
ставляющую удвоенной частоты. В результате на якорь реле перемен-
Horo тока действует М ЭМ t, измеияющийся во времени (рис. 2.5) от ну-
левоrо до максимальноrо значения с удвоенной частотой. С учетом
ииерционности системы приближенно считается возможным использо-
Вание для анализа среднеrо момента Мэм kll dLldCf., определяемоrо
Н ЭМt
,
Рис. 2.5. Зависимость MrHo- lp
венных значений вращающеrо
Момента и ero слаrающих от
Времеии для электромаrнит-
Horo реле тока
123
действующим значением тока [р. Среднее значение электромаrНИТНоrо
момента пропорционально квадрату МДС обмотки.
В реле на электромаrнитных системах обычно осущеСТВляется
сравнение одной электрической величины с заданной (моментом протн_
водействующей пружины).
В момент времени, коrда М ЭМ t <Ммех, якорь имеет тенденцию от-
ходить от полюсов и снова возврщцаться в моменты, соотвеТСТВУЮЩие
М ЭМ (>Ммех. С якорем связан под'вижный элемент контакта. Возмож-
ная вибрация якоря может поэтому приводить к недопустимой вибра-
ции контакта.
Трансформаторы тока токовых защит прн К:3 в защищаемых зонах
например в начале линий, за счет больших кратностей токов К:3 Mory;
rлубоко насыщаться. При этом вторичный ток Т А сильно искажается
по форме и содержит кроме основной высшие rармоники. 3а счет по-
следних переменная составляющая М ЭМ t может существенно возрастать,
усиливая вибрацию контактов. Для устранения вибрации контактов
iлектромаrнитных реле предусматривается ряд мероприятий. Время
срабатывания электромаrнитных реле бывает невелико и обычно не
превышает O,OI O,02 с.
Использование индукциониых систем, Индукционными называются
реле, работа которых основана на взаимодействии переменных маrнит-
ных полей неподвижных обмоток с токами, ИlIдуктированными этими
полями в подвижном неферромаrнитном элементе (барабане или дис-
ке). Вращающий момент М ЭМ t определяется вторым членом выраже-
ния ((2.14), так как индуктивность L при перемещении подвижноrо
элемента не изменяется. Токи, индуктированнные в подвнжном элемен-
те одним из потоков, М ЭМ t не создают. Поэтому для создания М ЭМ t
индукционная система имеет не менее двух маrнитных потоков, сдви-
нутых пространственно; они должны быть сдвинуты и по фазе. Систе-
ма приrодна только для реле переменноrо тока.
Энерrия маrнитноrо поля и вращающий момент, например, реле с
двухпоточной четырехполюсной системой с токами i 1 и i 2 В двух об-
мотках с учетом Toro, что поворот барабана на токи i l и i 2 не влияеТ,
и выражений (2.13) и (2.14) равны W ЭМ t MI2ildi2jdt+M2(izdiljdt и
М ЭМ t il (di 2 jdt) (dM 12 jda) +i2(di 1 jdt) (dM 21 jda). Поэтому
МэМt == k' (i2 di 1 /dt i 1 di 2 /dt) ,
(2.18
Если маrнитная система реле не насыщена (ее маrнитные потоки
Фt пропорциональны токам) и токи il И i 2 представляют собой синусо-
идальные величины одной частоты с фазным уrлом V между ними, то
полу"чаем dil/dt dФltjdt [lm cos wt и di2jdt==dФ2tldt [zm cos(wt V)'
С учетом этоrо
МэМt == k[lm [2т sin '\'.
(2.19)
, 1,24
Выражения (2.18) и (2.19) дают возможность сделать следующие
выводы.
1. В симметричной индукционной системе в отличие от электро-
маrнитной момент М эмt при синусоидальных токах одной частоты не-
изменен во времени и равен среднему моменту за период.
2. Если токи i. и i2 имеют неодинаковые частоты 11 и f2, то момент
МЭМ t В соответствии с (2.18) содержит низкочастотную иl 12) и вы-
сокочастотную (fl+f2) слаrающие. Постоянная слаrающая момента от-
сутствует. Наличие переменной слаrающей момента может привести к
вибрации контактов реле.
3. Индукционная система по принципу действия обеспечнвает в
рассматриваемом выполнении сравнение по фазе двух сформированных
велИЧин НI и Н2, характеризуемых токами i l и i2 (потокамн Фи и Ф2t).
В идеальном случае система срабатывает, если OO V 180°.
4. Постоянные составляющие токов i( и i2 MorYT оказывать слабое
влияние на индукционную снстему, а высшие rармоники в общем слу-
чае повышенное.
5. Использование мноrопоточных четырехполюсных и особенно
восьмиполюсных индукционных систем дает возможность создания ре-
ле с числом М ЭМ t, ббльшим двух, И таким образом расширяет возмож-
ности создания измерительных реле, удовлетворяющих самым различ-
иым требованиям.
6. Обеспечивая малый уrол поворота барабана при срабатывании,
удается создавать реле с временами срабатывания, примерно равными
одному периоду.
у индукционных систем с подвижным элементом в виде диска два
маrнитных потока, сдвинутых пространственно и во времени, часто об-
разуются путем расщепления полюсов одноrо электромаrнита на две
части, на одну из которых насаживаются короткозамкнутые витки в
виде медных колец. Снстемы с диском обычно используются для более
простых реле с одной воздействующей величиной, которые работают
с выдержкой времени.
Мощности, потребляемые электромеханическими реле, относят к
номинальным условиям или условиям срабатывания. Для лоrических
реле условия срабатывания обычно соответствуют примерно номиналь-
ным. Поэтому для них мощности потребления даются для номинальных
условий. Для измерительных реле характерной является мощность, по-
требляемая в условиях срабатывания, которая обычно отличается от
Иоминальной.
Для реле с одной обмоткой (например, измерительноrо реле тока,
питаемоrо током одноrо ТА) мощность в условиях срабатывания Scp
определяется значением электромаrнитноrо момента МЭМ,с; последний
для электромаrнитных и индукционных систем пропорционален квадра-
ту МДС F w2[ p' Поэтому Scp kzF ,
125
Для реле с двумя обмотками с разными токами /1 и /2 (ин , .
ониая система) условие срабатывания определяется произведенн,
ков 11 И 12. создающнх пропорциональные им МДС F 1 И F 2 . Мощ
потребляемые обмотками в условиях срабатывания, 51 и 52 ПроП!'
иальны квадратам соответствующих МДС. Поэтому срабатывани,
сматриваемоrо реле характеризуется соотношением 5CI5C2 kF 1:
const.
В соответствин с этнм можно перераспределить мощност\'
требляемые цепямн двух обмоiок, изменяя их МДС.
Осуществление лоrической части защит, лоrических ре-
ле, исполнительных и сиrнальных opraHoB на электромеха-
нической базе. Для выполнения лоrической части защит, а
также функций исполнительноrо opraHa MorYT использо-
ваться контакты измерительных реле. Иноrда, в особенно-
сти для последних целей, применяются специальные лоrи-
ческие реле на более для этоrо подходящем электромаrнит-
ном принципе.
Специальные лоrические реле, обычно называемые про-
межуточными, бывают необходимы для размножения кон-
тактов измерительных реле (последние обычно выполняются
с одним, максимум с двумя контактами), усиления мощ-
ности передаваемых сиrналов измерительных реле (осо-
бенно необходимо для действия на электромаrниты отклю-
чения выключателей защищаемоrо элемента, потребление
которых может достиrнуть нескольких киловатт), rальва-
нической развязки цепей лоrической части и цепей отклю-
чения и т. д.
Для создания задержек (если они требуются в лоrиче-
ских реле) применяются дополнительные контуры RC к об-
моткам или дополнительные короткозамкнутые обмотки,
надеваемые на маrнитопровод реле (часто с якорем в виде
клапана) .
К специальным лоrическим реле относятся также ука-
зательные реле, предназначенные для указания срабатыва-
ния защиты или ее отдельных частей и opraHoB.
Для создания реле времени используются электромаr-
нитный пусковой механизм с замедляющим маятниковыМ
устройством или специальные микродвиrатели переменноrо
тока. Контакт реле обычно состоит из неподвижноrо и под-
вижноrо элементов. Требуются мноrие разновидности кон-
тактов; замыкающие, размыкаЮЩие и др. Принятые услов-
ные изображения разных типов контактов приведены в
табл. В. 1. Соrласно [ОСТ на контакты закреплено отнесе-
126
вне видов контактов к условиям перехода реле из начально-
[о состояния в конечное; это отвечает распространенному
ва практике понятию начальноrо нахождения реле в обес-
точенном состоянии. Необходимо подчеркнуть, что на схе-
мах указывается только вид контакта; ero возможные по-
ложения в условиях работы защиты изображены быть не
MorYT.
Три классические лоrические операции или (y==Xl+
+Х2+ХЗ), и (y==Xl'X2 .Хз) И НЕ (у==х) с добавлением
задержек и элементов выдержки времени (реле времени)
дают возможность выполнения лоrической части любой за-
щиты.
I
X1
+
I I
XZ%
Y=X(Xz'XJ
(f
Х I
о)
у
y
П
Lr 8)
у=х
у
I
e)
y=Xt'Xz
X
.::.u--- а)
У=Х 1 +Х z +Х з
Рнс. 2.6. Реализация лоrических операцнй на контактах электромехани-
ческих реле
На рис. 2.6, а z приведено выполнение указанных ло-
rических операций, а также часто встречающейся операции
ЗАПРЕТ (y==Xl'X2) на контактах реле. Для операций ИЛИ
и И использованы замыкающие контакты, для операции
НЕ размыкающий, для операции ЗАПРЕТ за-
мыкающий и размыкающий.
Некоторые электромаrнитные реле используются при
осуществлении защит и на друrих элементных базах. Так,
например, защиты на полупроводниковой элементной базе
часто имеют выходные opraHbl в виде промежуточных
электромаrнитных реле с контактами, способными комму-
тировать большие мощности цепей отключения; для rаль-
ванической развязки в лоrической части этих защит при-
меняют еерКОНО8ЬЕе реле специальную разновидность
электромаrнитных реле с маrнитоуправляемым контактом.
127
Общая оценка использования электромеханической ба-
зы для осуществления релейной защиты. На рассмотренной
электромеханической элементной базе, реализуемой в виде
электромеханических реле, MorYT быть осуществлены все
функциональные части, opraHbI и элементы защиты. Реле
на этой базе пока широко используется на практике и, оче-
видно, будет еще примеН7IТЬСЯ и далее для осуществления
простейших защит в системах электроснабжения потреби-
телей, Коrда нет необходимости в применении защит на по-
лупроводниковой и микропроцессорной базах.
Недостатками электромеханических реле являются:
обычно большие мощности, потребляемые от первичных
измерительных преобразователей (Т А и TV), что обуслов-
ливает как большие rабариты самих электромеханических
реле, так и необходимость . применения Т А и TV большей
мощности;
наличие подвижных элементов в маrнитных системах и
контактов, обусловливающих соответствующие требования
к эксплуатации, оrраничивающих сроки работы реле без
проведения восстановительных работ и влияющих на на-
дежность функционирования защит;
относительно низкая вибростойкость измерительных и
некоторых лоrических opraHoB, например выдержки вре-
мени.
2.5. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОй
(МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ) элЕМЕНТНОй БАЗЫ
Общие свойства. Полупроводниковая элементная база
может использоваться для осуществления всех функцио-
нальных частей и opraHoB защиты. Ее внешней отличитель'
ной особенностью является отсутствие подвижных элемеи-
тов и контактов.
Полупроводниковая технолоrия в последние десятиле-
тия быстро развивается, и для выполнения как измеритель'
ной, так и лоrической части защиты появляются все новые
возможности. Была также рассмотрена возможность осу-
ществления измерительных opraHoB с использованием спе-
цифическоrо явления, OTKpbIToro в 1979 [. и получившеrо
названия «эффект Холла». Разработанные в СССР
(В. К. Сиротко) на ero основе opraHbI по своим принципи'
альным свойствам аналоrичны индукционным системам с
цилиндрическим ротором. Однако несмотря на некоторые
достоинства в релейной защите они не получили примене-
128
ния. Большое значение при применении полупроводниковых
схем придается реализации лоrической части, так как изме-
рительные opraHbI в современных исполнениях не имеют
контактов, которые моrли бы осуществлять лоrические опе-
рации. Первыми начали использоваться для защит диодные
схемы сравнения. За ними появились диодно-транзи-
сторные и транзисторные защиты, но они не полностью оп-
равдали возлаrавшиеся на них надежды в части потребля-
емых мощностей от первичных измерительных преобразо-
вателей и надежности. Положение существенно изменилось
при внедрении в релестроении интеrральной микроэлектро-
ники, совершенствование которой относится к 60-м [одам.
ИнтеrраJIьные микросхемы (ИМС) представляют собой
микроэлектронные изделия, выполняющие определенные
функции преобразования и обработки сиrналов и имеющие
высокую плотность «упаковки» электрически соединенных
элементов в кристалле.
В зависимости от функциональноrо назначения инте
ральные схемы делятся на две основные катеrории ана-
лоrовые и цифровые.
Аналоzовые микросхемы предназначены для преобразо-
вания и обработки непрерывных сиrналов. Примером ана-
лоrовой схемы являются операционные усилители, в насто-
ящее время широко используемые в измерительных opra-
нах релейной защиты. Цифровые микросхемы предназначены
для преобразования и обработки сиrналов, выраженных
в двоичном или друrом цифровом коде. Операции с двоич-
ным кодом описываются рассмотренными выше соотноше-
ниями алrебры лоrики. Поэтому иноrда цифровые микро-
схемы для выполнения простейших лоrических операций
именуются лоrическими микросхемами. Цифровые схемы
используются, в частности, для осуществления лоrической
части современных устройств релейной защиты, выполнен-
ных на базе интеrральной микроэлектроники. Принятые ус-
ловные изображения различных типов лоrических элемен-
тов приведены в табл. 2.1.
Использование операционных усилителей. Аналоrовые
микросхемы, как правило, в интеrральном исполнении,
предназначены для обработки непрерывных сиrналов, из-
меняющихся во времени по различным законам. ИЗ этоrо
класса ИМС наиболее важными являются операционные
усилители, предоставляющие широкие возможности их ис-
пользования в устройствах релейной защиты.
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой
9----855
129
Функцнн некоторых лоrическнх элементов
Таблица2 .1
I rрафнческне нзображен-,я элеыен :
и
1JX
Х 1 =l}
Х !I
z
НЕ
IJCF
Х 1 =l}
.х .!I
z
или
IJW
Х 1 =[}
Х .!J
z
или НЕ
IJWи
Х =С}
1 .!I
Xz
ЗАПРЕТ
IJ)(
X =l}
1 .!I
)(z
IJT
Задержка на срабатывание
X !I
Задержка на возврат
DS
x{}g
транзисторный усилитель с большим (k=== 104+ 105) коэф
фициентом усиления, большим входным (RBX=== 105+
106 Ом) и малым выходным (Rвых == 10+ 102 Ом) сопро
тивлениями, малыми (l0 6 10 7 А) входными токами, с
частотным диапазоном от О до 105 106 [ц, малыми шума-
ми и дрейфом.
Операционный усилитель содержит несколько десятков
транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов, при по-
130
мощи особой технолоrии отделенных друr от друrа изоля
ционными слоями И соединенных по заданной схеме на
одной полупроводниковой пластине площадью от 1 до
10 мм 2 . Он питается от двух источников питания Е п (рис.
2.7) противоположной полярности (обычно :t 15 В) с об-
щей нулевой шинкой (О), от которой отсчитываются вход-
ные и выходные напряжения. Он имеет два входа и обыч-
но один выход и производит усиление напряжения И вх , при-
ложенноrо между входами усилителя, а если один из них
подключен к общей шинке, то усиление напряжения по от-
ношению к общей шинке (далее без специальных oroBopoK
просто напряжение).
+Е п
""1 Ф U 8хf 1>
! и 8ых
l1вх2 О
Е п
wt
wt
Рис. 2.7. Условиое изобра-
жение операционноrо уси
лителя
Рис. 2.8. Диаrрамма работы
ИО со сравнением фаз на Bpe
мяимпульсной схеме
Один из входов ОУ является инвертирующим, и при
подаче на Hero положительноrо напряжения (друrой вход
подключен к общей шинке) выходное напряжение отрица
тельно и наоборот (часто И-вход, обозначается на схеме
знаком « »). Второй вход ОУ является неинвертирующим
(инвертирующий вход в этом случае подключен к общей
шинке), поскольку для Hero знак входноrо и выходноrо Ha
пряжений одинаков (часто H BXOД, обозначается на схеме
знаком «+»).
Обычно собственно ОУ потребляет от источников пита-
ния не более 0,2 Вт и не более ПОЛОвины этой мощности
может быть отдано в наrрузку.
Само понятие «операционный усилитель» связано с пер-
воначальным ero применением в аналоrовых вычислитель-
ных :машинах для решения операторных уравнений. При со-
ответствующей отрицательной обратной связи ОУ может вы-
9*
131
полнять операции алrебраическоrо суммирования, диф:
ренцирования, интеrрирования и т. д.
В настоящее время выпускается большое количес
ОУ различных типов, которые MorYT работать в диапаз,.
,емператур 6007 + 125 ос и имеют высокую ТОЧнО'
В технике релейной защиты обычно применяются мн,
левые стандартные ОУ с комплексом хороших пара\
и минимальной себестоимостью в производстве.
Как и любой транзисторный усилитель, ОУ МО}I\,
пользоваться в линейном режиме, коrда выходное Ii
ное напряжения связаны определенной непрерывной
симостью, и в ключевом режиме, коrда при заданно\
чении входноrо напряжения выходное скачкообразно
няется от максимальноrо положительноrо до максим;]
ro отрицательноrо или наоборот.
Для реализации этих режимов ОУ используется i
мах с цепями отрицательной или положительной обр,
связи, а в некоторых случаях без этих цепей. Под 1.
обратной связи понимается двухполюсник или четыр
люсник, преимущественно из пассивных элементов, кот
передает часть выходноrо напряжения (тока) ОУ
ВХОДНЫе цепи. Под отрицательной обратной связью «
понимается такая связь, которая стремится умею,
входное напряжение, вызвавшее увеличение выходно!
пряжения. Положительная обратная связь (ПОС) На!
лена на увеличение входноrо напряжения, вызвавшеr.)
личение выходноrо напряжения. Обратная связь тем i
Ше, чем большая часть выходноrо напряжения (ток:!
дается во входные цепи.
Схемы с ООС обычно предполаrают использовани,
в линейном режиме, схемы с ПОС или без обратной
используют ОУ либо в ключевом режиме, либо в ре.
[енератора периодических колебаний.
Помимо входных цепей и цепей обратной связи (
ряде случаев дополняется корректирующими RС це:,
включенными между предусмотренными для этоrо вы,
ми схемы ОУ, которые предупреждают ero самовозбуж.\\
иие (rенерацию), т. е. саМОПроизвольное (вне зависимост;
от входных сиrналов) rенерирование периодическоrо BЫ
ходноrо напряжения.
Для большинства схем, [де используются современные
ОУ, их входные токи MorYT считаться пренебрежимо ма-
лыми, входное сопротивление бесконечно большим, а вы-
ходное бесконечно малым по сравнению с сопротивле-
132
нием внешних резисторов; коэффициент усиления также
может считаться бесконечно большим.
Это позволяет при анализе схем с применением ОУ Ис-
пользовать понятие идеальноrо ОУ, имеющеrо k==CX:,
RBX==OO и Rвых==О. Если идеальный ОУ работает в линеи-
ном режиме, то в схеме автоматически и практически бе-
зынерционно устанавливается режим с таким соотношением
токов через входные элементы и элементы ООС, что на-
пряжение между входами ОУ равно нулю. Если ОУ рабо-
тает в ключевом режиме, то считается, что для ero пере-
ключения достаточно бесконечно малоrо напряжения СООТ-
ветствующеrо знака. Для упрощения ОУ показан без це-
пей коррекции и обратной связи.
Использование лоrических интеrральных микросхем.
Лоrические ИМС работают при двух дискретных значени-
ях входных и выходных сиrналов, отсчитываемых от общей
(отрицательной) шинки питания, низкоrо уровня, со-
ставляющеrо малую долю напряжения питания ИМС и на-
зываемоrо условно нулевым сиrналом (уровнем), и высо-
Koro уровня, близкоrо к напряжению питания и называе-
Moro условно единичным сиrналом.
Промышленностью выпускаются различные типы лоrИ-
ческих ИМС, каждая из которых имеет преимущественную
область применения.
На лоrических ИМС выполняются как все виды лоrи-
ческих операций, так и различные элементы задержки при
действии или отпускании (на единицы и десятки миллисе-
кунд), от которых не требуется высокой точности.
. В сочетании с операционными усилителями на ИМС вы-
r;олняются также opraHbl выдержки времени с нормируе-
мым временем, например с мостовой схемой, имеющей вре-
мязадающую активно-емкостную цепь; в первоначальном
виде такоЙ opraH был разработан в СРЗиУ ТЭП (Ю. А. ra-
евенко) .
Общая оценка устройств релейной защиты, выполнен-
ных на ИМС. Использование ОУ и лоrических элементов
на ИМС позволяет создавать все современные устройства
релейной защиты. Последние по сравнению с устройствами
.защиты на электромеханических реле более технически со-
вершенны, имеют меньшие rабариты.
Интеrральная микроэлектроника предоставляет, в част-
ности, дополнительные возможности для создания разно-
образных схем сравнения (СС). Одна из первых попыток
систематизации таких схем была предпринята О. В. Лебе-
133
девым (ИЭИ) при двух воздействующих величинах дЛЯ
СС по фазе с широко используемыми теперь косвенными
признаками относительноrо расхождения фаз. Обычно При
менuяется при этом времяuмпУЛЬСflЫЙ способ, заключаю
щиися в следующем (рис. 2.8). Сиrнал на выходе устрой
ст ва при ero сра атывании появляется при уrле совпадения
CPc <utc областеи ери! ===<ut и ! и ерИ2===<ut и2 , большем задаННоrо
уrла eprp===<ut rp (epc eprp), т. eAc>t rp .
Таким образом, для сравнения требуется неКОТОРое
обычно весьма uнебольшое время t rp , составляющее дол
периода. Устроиства, выявляющие момент срабатывания
называ тся flуль орсаflамu. Они выполняются на ОУ бе
обратнои связи, переключаясь от весьма малоrо MrHoBeH
Horo значения входноrо напряжения, причем соответствую
щеrо знака (обеспечивается направленность действия)
Необходимо отметить, что времяимпульсный способ полу
'j;л распространение и дЛЯ СС с одной Н, сравниваемой с
зад.
Сочетанием конструктивных мероприятий и методов
контрольных испытаний, принятых в международной прак-
тике, удается обеспечивать устойчивость защиты к импульс-
ным перенапуяжениям и помехам. Использование усили-
тельных своиств ОУ позволяет существенно снизить по
требление от первичных Т А и TV. Однако при этом имеют
ся uоrраничения, обусловленные тем, что в воспринимаю-
щеи части ИО необходимо применение изолирующих и со-
rласующих ТА и TV, ИХ мощности намаrничивания быва
ют на 2 3 порядка выше мощности, необходимой для уп
равления с емами формирования и сравнения.
В устроиствах, выполненных на ИМС, более просто, чем
в элек;ромехани;еских устройствах, осуществлять непре
рывныи, тестовыи или диаrностический контроль. Это в ря
де случаев озволяет }пеостить обслуживание и эксплуа
тацию устроиств релеинои защиты повысить их на д еж-
ность. '
Основными недостатками устройств релейной защиты
на ИМС ЯВ,!JЯЮТСЯ пока достаточно большое количествО
разнотипных \/ЗiJОВ И б б
J . локов, нео ходимых для выполне
ния различных функций защиты, и значительное количесТ-
во элементов схем Из-за сравнительио небольшой степени
интеrрации в ОУ и лоrических ИМС.
2.6. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Общие вопросы. функцнонирование измернтельной и лоrнческой
частей защиты, как было показано выше, математичеСки может быть
>представлено системой аналитических соотношений их алrоритмамн.
Это позволяет рассматривать opraHbl зашиты как систему арифметнко-
лоrическоrо преобразовання ннформацин, содержащейся в воздейству-
ющнх и вспомоrательных величинах, которая может быть представлена
в цнфровом. виде. В рассматриваемом случае выполненне opraHoB и
защнты в целом осуществляется цнфровой вычнслительной машнной
(ЭВМ) и алrорнтмы их функционирования задаютсЯ проrраммами, хра-
нимыми в запоминающем устройстве ЭВМ. Проrрамма определяет оче
редность н вид выполняемых в соответствиИ с алrоритмом операцнй.
Для изменения алrоритма достаточно замениТЬ проrраММу, сохраняя
прн этом все элементы ЭВМ и связи между ними. Это является сущест-
венным преимуществом микропроцессорной элементной базы. Выполняе
мые таким образом защиты предложено называть npozpaMMHbIMU.
Первые варианты nporpaMMHblX зашит были выполиены в конце
6О-х [одов. В СССР разработкн проrраммнЫХ защит были начаты во
ВНИИЭ (Я. с. fельфанд, Л. С. Зисман), в МЭИ (В. [. Дороrунцев,
В. В. Бабыкин), Коми филиале АН СССР (Н. А. Манов, М. И. Успен
<:кий) и в ЭСП.
При этом необходимо отметить, что в МЭИ с caMoro начала было
решено базироваться на выделении из воздействуЮщих величии пере
ходных процессов при КЗ на линиях слаrающих промышлениой часто-
ты, что в дальнейшем стало широко использоваться. Теперь в МЭИ
работы выполняются под руководством В. П. Морозкина (В. Н. Новел-
лой, Ю. А. Барабановым и др.). В настоящее время работы в рассмат-
риваемых иаправлениях развиваются и в ряде друrих орrанизаций (иа-
пример, под руководством Б. С. СтоrнИя в ИЭД АН УССР).
Ниже основное внимание уделено особениостям выполнеиия про-
[раммных защит, реализуемых иа ЭВМ специальноrо вида микроЭВМ
или мноrопроцессорных системах, основным элементом которых явля-
ется микропроцессор. Под последним обычно понимают универсальную
цифровую интеrральную микросхему большой степени интеrрации с
проrраммируемой лоrикоЙ или функцией.
Упрощенная структурная cxe'>la проrраммной защиты приведена
на рис. 2.9, а. Вся обработка информации по алrоритмам защиты осу-
ществляется микроЭВМ, которая выполняет операции над величинами,
значения которых представлеиы в цифровом виде. Поэтому необходимы
соответствуюш ие устройства: аналоrо-цифровые и цифроаналоrовые
преобразовател и , осуществляюш ие соrласование формы представления
сиrналов в микроЭВМ и во внешних по отношению к ней устройствах:
135
измерительных преобразователях (ИП) тока и напряжения и и.:
тельных opraHax защнты. В соответствии с существующими ОП!'
ниями аналоrо цифровые преобразователи следует отнести к '
рующей части измерительных opraHoB. В результате выпС'
алrорнтмов релейной защиты вырабатывается признак о ее сра !
нии илн несрабатывании, который через цифроаналоrовые пре' t
вателн поступает из микроЭВМ в виде управляющих сиrналов
полнительные opraHbI защиты. Существенным является то, что а, <.
мы выполняются в реальном масштабе времени.
ИJмери Входные Аналоео
тельные цифро8ые MиKpo
п(JeoopaJo соеласующие преооразо ЭВМ
8атели устройст8а 8атели
Цифро Выходные Исполни
аналоео8ые соеласующие тельные
преооразо устройст8о.. ореаны
8атели а)
L I
L J
Рис. 2.9. Структурная схема проrраммной защиты (а) и упрош
структурная схема микроЭВМ (6)
Представление информации в микроЭВМ. В микроЭВМ информа-
ция о значениях обрабатываемых данных и командах проrрамм пред
ставлена в двоичных кодах, В двончноЙ снстеме счнслення ВОЗМОЖJ,
ТОJlЬКО две цифры О и 1. Прн записи проrрамм н данных OCY!I"
.!fяется перевод чнсел, обычно представленных в традицнонной д' '
иой системе счислення, в двончную и обратно. Удобно для пе
использованне таблицы весов, которая для двоичной системы счи,
имеет вид... 242322212°, 2 12 z2 32 4... Зиачимость каждой ПОЗИЦfI
что то же самое, разряда в числе определяетСя ero весом. Нап;
десятичному числу 25 в двончной системе соответствует число 11
обратно двоичному числу 11001 соответствует десятичное чисЛО
1 х2Ч 1 Х2ЧОХ2 2 +ОХ2 1 +1 X20 25.
В вычислительной техиике используют понятия бит, байт, маши и -
ное слово (ниже просто слово), массив. ПОД битом поиимают двоиЧ-
186
выЙ разряд. В приведенном прнмере число 11001 содержит 5 бит. Во-
семь двончных разрядов образуют байт. Указанная выше ннформация
хранится в имеющнхся в мнкроЭВМ реrистрах и ячейках. Число раз
рядов в ннх (длина разрядной сетки) кратно восьми, т, е. нмеет по-
байтную структуру. Полное число разрядов в разрядной сетке образует
слово. Массив это несколько слов,
В микроЭВМ выполняются операции над цифровымн данными,
представленнымн чнслами с фнксированноЙ нли с плавающеЙ запятоЙ.
Прн представленин чисел с фнксированной запятой обычно старший
(крайний слева) раздел слова отводится для записн знака числа,
остальные для записи caMoro числа. Множество чнсел оrраничено
длнной разрядной сетки. Например, при 8 разрядной сетке можно
представить числа от 27 128 до +27 1 +127 (положнтельных
чисел на одно меньше с учетом записн нуля). Вследствие этоrо воз.
можны большие поrрешности в представлении чисел, значительно от-
личающнхся от HeKoToporo среднеrо уровня. Например, чнсло. запи-
санное в двоичном коде как 1100000011, что соответствует десятично у
числу 1539, при размещении в 8-разрядной сетке младшнх разрядов за
счет потери двух старших разрядов будет представлено как 00000011,
что соответствует десятнчному числу 3.
Чнсла с плавающей запятой состоят из мантиссы (числовая часть)
и порядка чнсла, определяющеrо вес разрядов мантиссы. Порядок оп
ределяется так, что первая цифра в мантиссе значащая. Например, в
десятичноЙ системе счислення число 0.00273 будет представлено как
0,273.IO Z, а число 175 как 0,175.103. Одна часть слова отводится
для записи мантиссы, друrая для записи порядка, при этом по од-
ному (обычно старшему) разряду в обенх частях отводится для записн
знака мантиссы и порядка. Представление чисел с плавающей запятой
позволяет значительно расшнрить допустимыЙ диапазон нх изменения.
СЛС)l.ует, однако, отметить, что микроЭВМ ориентирована обычно на
выполнение арнфметическнх операций над числами с фиксированиой
запятой. При этом операции над числами с плавающей запятой выпол
няются по специальным подпроrраммам, включающим ряд дополни-
тельных преобразований, что увеличивает время их выполнения.
Структура микроЭВМ. Различные модификацин микроЭВМ MorYT
иметь значительные различия в коиструктивном исполнении, что обус
Jlовлеио их функциональным иазначением, возможностями, технолоrией
IIзrотовления и друrнми причинами. Вместе с тем можно выделить не-
Котфрые общие функцин, выполняемые всеми микроЭВМ иезависимо от
IIХ исполнения, а также соответствующую им структурную схему (рис.
2.9,6). Стрелками на рис. 2.9 указано иаправлеиие передачи инфор-
Мации между элементами микроЭВМ.
Микропроцессор (МП) предиазначеи для выполнения арифметичес-
Ких н лоrических операций над поступающими иа ero вход даниыми
137
в соответствии с заданной проrраммой вычислений, храиимой в запо_
минающем устройстве. Микропроцессор может выполнять арифметиче_
ские операции типа сложения, вычитания, умножения, деления; Лоrи-
ческие операции типа конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и т. д. Реа-
лизация той или иной операции осуществляется путем последоватеЛЬноrо
выполнения ряда элементарных команд. Они обеспечивают поступление
в МП данных, над которыми должна выполняться операция, собствен-
но исполнение требуемой операhии и выдачу полученноrо результата во
внешние по отношению к МП устройства (устройства ввода/вывода,
запоминающие устройства). Набор выполняемых МП команд в различ-
ных модификациях микроЭВМ задается при конструироваиии ЭВМ.
Основными элемеитами МП являются арифметико-лоrическое уст-
ройство, в котором собственно и выполняются операции над данными,
а также разноrо рода реrистры, используемые для хранения информа-
ции о значениях величин, над которыми необходимо выполнение тех
иди иных операций (команд) в данный момент, о виде очередной вы-
подняемой операции, а также некоторая вспомоrательная информация.
Микропроцессор содержит в качестве составных элементов доста-
точно простые типовые элементы оrраниченной номенклатуры, предна-
значенные для обработки сиrналов, принимающих Bcero два возмож-
ных значения О или 1: разноrо рода триrrеры, лоrические элементы
И, ИЛИ, инверторы и т. д. (в иекоторых специальных случаях исполь-
зуют лоrические элементы с тремя состояниями). Возможность TaKoro
построения МП обусловлена тем, что информация, поступающая в Hero
для хранения и обработки, представлена двоичнымн кодами, в кото-
рых каждому биту соответствует сиrнал О или 1. При помощи комби-
наций типовых элементов выполняются все узлы МП. Например, ре-
rистр для хранения слова длиной п бит выполняется на п триrrерах.
Функционирование Л.1П, орrанизация ero взаимодействия с друrи-
ми частями lИкроЭВМ осуществляется специальным устройством уп-
равления. В большинстве случаев устройство управления конструКТИВ-
но входит в состав МП, иноrда оно оформлено в виде самостоятель-
Horo блока. В устройство управления введеи reHepaTop тактовЫХ
импульсов высокой частоты, по сиrналу KOToporo разрешаются изме-
нения состояния любых лоrнческих элементов МП, чем достиrается
синхронизация работы всех ero элементов, а также виешних устройств.
Запоминающие устройства (ЗУ) предназначены для хранения про'
rpaMM расчетов по алrоритмам защиты, а также HToroBbIx и необхо-
димых в процессе вычисления промежуточных результатов расчетоВ.
Запоминающие устройства состоят из ячеек, в каждую из которЫХ
может быть записано одно слово. Число ячеек (объем ЗУ) иноrда до-
стиrает десятков и сотен тысяч. Каждая ячейка (иноrда их rрупп а )
имеет свой адрес, по которому обеспечивается обращение к ней мП
для записи или считываиия информации. Одна микроЭВМ может сО-
138
держать несколько независимых ЗУ различноrо исполнения и НlIзиа-
чеиия. Допускается наращивание в иекоторых пределах ЗУ дО нужноrо
в каждом конкретном случае объема путем подключения дополнитель-
иых блоков ЗУ. При заданных алrоритмах реализуемых защит HeTpYk
но подсчитать необходимый объем ЗУ.
По назначению различают оперативные запоминающие устройства
(ОЗУ) и внешиие ЗУ. Оперативные ЗУ являются Осиовным видом па-
мяти и применяются во всех типах микроЭВМ. Они имеют непосред-
ственную связь с МП, что обеспечивает высокую скорость записи и
считывания информации при обращении МП к ОЗУ. Как правило, ОЗУ
имеют небольшой объем. Внешние ЗУ предназначены для хранения
больших массивов информации, не разместившихся в ОЗУ: библиотек
проrрамм, массивов данных и т. д. Внешние ЗУ выполняются на иаr-
нитных лентах, дисках, барабанах. Запись и считывание информации
осуществляется через специальные интерфейсные устройства массива-
ми, содержащими сотни слов. Обращение к внешним ЗУ занимает мно-
ro больше времени, чем обращение к ОЗУ, но они значительно дешевле
и Me. T больший объем. В микроЭВМ, осуществляющих функции ре-
, еинои защиты, использование внешних ЗУ в силу их инерционности
и небольшоrо объема проrрамм защиты оrраничено.
По выполнению ОЗУ делятся на запоминаЮщие устройства с про-
ИЗВОЛЬНОй выборкой (ЗУПВ), постоянные запоминающие устройства
(ПЗУ) и перепроrраммируемые запоминающие устройства (ППЗУ).
Микросхемы ЗУПВ выполняются обычно полупроводниковыми. Для
хранения каждоrо бита информации используется триrrерный эле-
мент (биполярная лоrика) либо металлоокисный транзистор (моп-
лоrика). Некоторые разновидности ЗУПВ используют конденсаторные
ячейки, информация в которые записывается путем заряда конденса-
торов. Запоминающие устройства с произвольной выборкой допускают
в произвольный момент времени как запись, так и считывание инфор-
мации. Информация хранится в таком ЗУ дО тех пор, пока оно ПОk
КJlючено к источнику питания, отключение KOToporo приводит к потере
содержимоrо ячеек. В ПЗУ и ППЗУ возможно в процессе счета только
считывание информации. Запись в ПЗУ допускается только однократ-
ная и выполняется обычно в процессе изrотовления, например путем
пережиrаиия соответствующих связей в диодной матрице. В отличие
от ПЗУ перепроrраммируемые ЗУ допускают несколько циклов пере.
записи информацин с использованием специальноrо оборудования на.
Пример обработкой ППЗУ электромаrнитным излучением для инже ции
зарядов в окисную ловушку иад входной областью МОП-т р анзисто р ов
об '
разующих матрицу. По сравнению с ЗУПВ постоянные и перепро-
rраммируемые ЗУ имеют то преимущество, что записанная в них ин.
формация не теряется при потере питания. Кроме Toro, они дешевле
I! имеют больший объем в одиой микросхеме интеrральноrо выполне-
139
ния. Их использование целесообразно для хранения неизменной инфор_
мации, такой как проrраммы релейиой защиты. При этом измеНЯЮЩие_
ся даиные: промежуточные и итоrовые результаты расчетов, исходные
данные для расчетов (текущие значения токов, напряжения) хранят_
ся в ЗУПВ. Такая орrанизация памяти данных и проrрамм позволяет
после восстаиовления прерванноrо питания микроЭВМ автоматически
возобиовить счет по проrрамма'м релейной защиты, начиная с некото-
рото начальноrо шаrа, заключающеrося, например, в сборе исХодных
даниых для расчета.
Устройства ввода/вывода служат для орrанизации обмеиа инфор-
мацией между МП и внешними устройствами. В некоторых модифика-
циях микроЭВМ возможен непосредствеиный обмен через уСТРОйства
ввода/вывода между запоминающими и внешними устройствами
прямой доступ к памяти (изображеио на рис. 2.9, б пунктиром). Со-
став внешних устройств достаточно разнообразен. При реализации за-
щиты это прежде Bcero ИП тока и напряжения защищаемых элементов
с аналоrо-цифровыми преобразователями, исполнительные ортаны за-
щиты с цифроаналоrовыми преобразователями, а также алфавитно.
цифровые печатающие устройства и экранные пульты (дисплеи), слу-
жащие для отображения информации и реrистрации функционирования
защит.
Проrраммирование и отладка проrрамм. Алrоритмы. выполняемые
мнкроЭВМ, записываются в виде проrрамм. Дня их записи использу-
ются языки проrраммирования. Языки включают иабор символов (ал-
фавит) и правила образоваиия из них тех или иных конструкций
(фраз), указывающих, какие операции и над какими данными необхо-
димо выполнять.
Существует, как известно, значительное число языков проrрамми-
рования, ориентированных на разные области использования. Особо
следует остановиться на машинно-ориентироваииых языках, учитыва-
ющих структуру вычислительной машины, что позволяет иметь более
оптимальные проrраммы. Типичиым представителем этой rруппы явля-
ется язык АССЕМБЛЕР. Проrраммирование на таких языках являет-
ся более сложным и трудоемким процессом, требует от проrраммис.-а
более высокой квалификации. Однако разработку проrрамм релейиой
защиты целесообразно все же проводить на машиино-ориеитированны х
языках. Это определяется:
относительной простотой и малым объемом проrрамм, реализуЮ-
щих отдельные ортаны защиты, в связи с чем сложность проrраммИРО-
вания проявляется в меиьшей степени;
стабильностью проrрамм, которые разрабатываются одиажды при
реализации орrаиов защиты и практически ие меияются иа эначитeJlЬ-
иых периодах ее эксплуатации;
возможностью разработки проrрамм, близких к оптимальиым по
140
времени выполнения и объему, что важно для релейной защиты, осо-
бенно для алrоритмов измерительных ортанов быстродействующих
защит.
Проrрамма, записанная на языке проrраммирования, переводится
(транслируется) на машинный язык, непосредственно воспринимаемый
мнкроЭВМ.
Особенности выполнения проrраммных защит. При выполиении
проrраммных защит из-за специфичности элементной базы приходится
мноrие вопросы реализации решать иначе, чем при электромеханиче-
ской и полупроводниковой базах. Возникает и ряд дополнительных за-
дач [16]. В частности, необходимо обращать внимание на следующее:
1) требуется более четкое и исчерпывающее описание алrоритмов фуик-
ционирования, так как они являются единственным путем учета ре-
альиых физическнх процессов, происходящих в ИО; 2) 'l'-функции,
характеризующие формирование величин, записываются для дискрет-
ных моментов времени и должны содержать только арифметические
операции; 3) должно обращаться внимание на снижеиие поrрешностей,
обусловленных поrрешностями квантования значений входных величин,
а также окруrлением результатов расчета, вследствие оrраничеиной
длины разрядной сетки, используемой для записи чисел; 4) дЛЯ ИО,
реаrирующих на основную слаrающую промышленной частоты, для
быстродействующих защит обычно необходима частотная фильтрация
и т. д., представляющая задачу, пока полностью не решенную.
ноrопроцессорные вычислительные системы (ОС). Мноrопроцес-
сорная ВС в отличие от микроЭВМ включает несколько вычислитель-
ных элементов, в числе которых MorYT быть МП с необходимыми до-
полнительными устройствами, или микроЭВМ, объединенных внутри-
системными каналами связи. Кана.1Ы предназначены для обмена
ннформацией между элементами ВС. В системе мотут объединяться де-
сятки вычислительных элементов. Иноrда указанная миоrопроцессорная
система бывает конструктнвно оформлеиа в ОДИОМ корпусе н без не-
обходимых отоворок также называется микроЭВМ.
Отдельные вычислительные элементы системы способны проводить
параллельную, одновременную обработку информации как по неза-
висимым проrраммам, так и по независимым на отдельиых участках
проrраммы ветвям. Получаемые результаты, необходимые для дальней-
тето проведеиия расчетов, передаются в соответствующие вычисли-
тельные элементы по каналам связи.
Объединение вычислительиых элементов в систему преследует
обычно две цели:
повышение эквивалентной производительности за счет одновремен-
НОто выполнения параллельных ветвей проrраммы рядом вычислитель-
ных элементов;
повышение надежности, которая достиrается введеиием в ВС ре-
14'
зервных элементов, а также перераспределением функций отказавщеrо
элемента между оставшимися работоспособными.
На возможность и целесообразность параллельной обработки ин.
формации для повышения производительности было указано еще в на.
чале 50.х rодов е. А. Лебедевым. В дальнейшем исследования по соз.
данию Ве были развиты в работах советских ученых Э. В. Евреинова
и В, В. Пранrишвили, Такие ВС получили распространение и за рубе.
жом. В настоящее время известно большое число мноrопроцессорных
ве, предназначенных для различных применений и отлнчающихся эле.
;ментным составом, структурой связей между элементами, орrанизацией
вычислительноrо процесса и т. д,
Работы в области использования мноrопроцессорных Ве для ре.
лейной защиты были начаты в середине 70.х rодов в МЭИ (Ю. А. Ба-
рабанов и др,) [16, 39]. Они особенно важны для повышения надеж.
ности микропроцессор ной техники MaccoBoro (а не специальноrо) из.
rотовления с учетом Toro, что надежность этой техники кроме общих
причин определяется еще и т.аким специфическим вндом нарушений,
как сбои,
Некоторые общие вопросы по использованию микропроцессориой
элемеитной базы. Разработка проrраммных защит, реализуемых иа
базе микропроцессор ной вычислительной техники, является в настоя.
щее время перспективным направлением в области релейной защиты.
Преимущества, ожидаемые от использования проrраммных защит, по
сравнению с ее аналоrовыми реализациями заключаются в возможном
повышении техническоrо совершенства защит за счет применения труд.
но реализуемых в аналоrовом варианте алrоритмов, упрощения модер-
низации и замены алrоритмов защиты, что сокращает сроки внедрения
новых решений, в перспективе в возможности повышения надежноrо
функционирования защиты.
Вместе с тем работы по выполнению проrраммных защит не вы.
шли еще из стадии отдельных разработок и опытной эксплуатации, а
ВЫl10лняемые защиты пока не имеют широкоrо применения на прак-
тике. Это обусловлено, с одной стороны, относительно небольшим пе-
риодом проведения работ в рассматриваемой области и отсутствием
иа начальном этапе приемлемых для релейной защиты типов вычисли-
тельных машин, с друrой сложностью возникающих вопросов, нахо-
дящихся на стыке различных областей техники. В частности, отсутст-
вуют пока достаточно обоснованные математические методы построе-
ния проrраммных ИО защит, теория выбора оптимальных для
реализации алrоритмов защит структур ве, а также друrие вопросы,
требующие cBoero разрешения (например, отстройки от разноrо рода
помех) .
142
Вопросы для самопроверки
1. Н азовите основные функциональные части защиты.
2. Объясните понятие характеристической величины, области сра-
батывания и характеристики ИО.
3. Какие существуют элементарные лоrические операции, что они
собой представляют?
4. Что называется коэффициентом возврата ИО и как он может
влиять на чувствительиость защиты?
5. Какие преимущества приносят интеrральиые микросхемы для
выполнения устройств релейной защиты по сравнению с электромеха-
ническими реле?
rлава третья
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБР АЗОВА ТЕЛИ
И ИХ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИй С НАrрузкой
3.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
Назначение. Наиболее распространенными измеритель
ными преобразователями (ИП) являются электромаrнитные
трансформаторы тока (ТА) и напряжения (TV). Имеются
и друrие их исполнения. По своему назначению ТА разделя
ются на предназначенные для устройств измерений и для ре-
лейной защиты, поскольку к точности их работы при раз-
личных кратностях первичноrо тока предъявляются разные
требования.
Основным режимом Т А для измерений является нормаль-
ный рабочий; в пределах изменения рабочих токов должна
обеспечиваться необходимая точность трансформации, ха-
рактеризуемая классом точности. Работа же Т А в схемах
мноrих типов релейной защиты происходит в аварийных ре-
жимах, коrда токи К3 MorYT значительно превосходить нор-
мальные рабочие. Иноrда, при соответствующем выполне
нии, вторичные обмотки ТА MorYT 'одновременно использо
ваться для обоих случаев применения.
PaccMoTpeHHoro разделения для TV нет, и они MorYT ОД-
новременно применяться для различных видов вторичной
наrрузки.
Общие принципы, положенные в основу работы ИО за.
щит. Электромаrнитные Т А и TV являются разновидностя-
143
ми обычных трансформаторов индуктивных преобразо_
вателей, с помощью которых переменный ток или напря_
жение преобразуется соответственно в ток (с номинальным
значением 5, иноrда 1 А) или в напряжение (с Номиналь.
ным значением 100 В). Поэтому хотя режимы работы ТА
и TV весьма различны, они характеризуются некоторыми
общими свойствами трансформаторов.
На рис. 3.1 приведена принципиальная схема выполне_
ния двухобмоточноrо трансформатора. Ero первичная об.
мотка с током i 1 И числом витков W! включается на первич-
ное напряжение (TV) или ток (Т А). Вторичная обмотка
е током i 2 и числом витков W2 включается на наrрузку.
Вторичных обмоток у TV может быть несколько, у Т A
только одна, так как первый явля-
ется практически идеальным источ-
ником напряжения, а второй тока.
Для совершенноrо трансформа-
L2
'тора (замыкание маrнитных Пото-
ков, определяемых МДС i!Wl И ; ,
и результирующеrо маrНИТНОJ'
Рис. 3.1. Совершенный тока Ф только по сердечнику
трансформатор стоянной маrнитной проницаем(
J..I.) потокосцепление каждой и
моток представляет функцию
токов i 1 И i 2 : 0/1 ==L l1 i 1 +M 12 i 2 и 0/2==L22i2+M2!il' rде ,
L 22 собственные индуктивности обмоток 1 и 2, ощ
Jlяемые выражениями Lll ==[0/ l/il] {, o и L2Z==[Ч'2/i
а М 12 и M Z1 их взаимные индуктивности, причем Л
==[0/!/i2]il O и М 21 ==[Ч'2!i l ] {, o. Д ля рас сматриваемоrо
чая они одинаковы и равны V LIIL22. Индуктивност
всеrда положительны. Взаимоиндуктивности в зависим
от взаимноrо направления намотки обмоток 1 и 2 м
иметь разные знаки. При направлении намотки по рис
и направлении MrHoBeHHblx токов i\ и i 2 , коrда они ОП!'
ляют (по правилу «штопора») вычитающиеся потоки.
отрицательны. Зажимы обмоток, соответствующие УЮJ
ным условиям, называются одноименными и отмечею,
рис. 3.1 точками. Далее они обозначаются соответств,'
Н, н и К, ".
Условное изображение рассматриваемоrо траНСфОi
тора приведено на рис. 3.2, а. При принятых положи')
ных направлениях величин связь между ними опредеJ!
ея выражениями и! ==clЧ'\!dt===Llldit!dt Мdi2!dt и l!
==d0/ 2 /dt==L 22 di 2 !dt:....MdiJ/dt. им соответствует удоб ,{
144
l-t
для рассмотрения электрическая схема замещения транс-
форматора на рис. 3.2, б.
Непосредственное исПользование схемы для определения
соотношений токов и напряжений неудобно, поэтому все ве-
ЛИ:ИН I в ней Приводятся к одной :тороне (в технике ре-
.1Jеинои защиты обыч о ВТОРИЧf!ОИ) с помощью коэQ;>Фи-
циента приведения k: и! == U 1 k, 11 ==1 1 !k, М' ==kM и L 11 ===
==k 2 LII. Коэффициент 7i, вообще rоворя, может быть лю-
бым, что не подчеркивается обычно в электротехнических
курсах. Как правило, ero принимают равным отношению
чисел витков обмоток Wt!W2 или W2!W! при приведении ко
i 1 М i 2
" [Зt]",.!
", "25)
Рис. 3.2. Условное изображение (а) и схема замещения (6) совершен-
Horo трансформатора
вторичной стороне. ДЛЯ ТА принимают k==W2/Wl, и он пред-
ставляет коэффициент трансформации ТА. Рассматривая
схему замещения трансформатора как результат исполь-
зования общей теории пассивноrо четырехполюсника, полу-
чаем (см., например, [16]) те же результаты. Таким обра-
зом, реальный трансформатор вне зависимости от реально-
ro распределения в нем потоков с учетом Toro, что они ПО
пути от одной обмотки к друrой MorYT рассеиваться, может
быть, не касаясь KOHKpeTHoro ero выполнения, представлен
рассмотренной схемой при внесении в нее слаrающих, учи-
тывающих активное сопротивление обмоток (Rl, R2) и по-
тери в стали маrНИТОПровода (Ro). В результате расчетная
электрическая схема трансформатора при приведении ко
вторичной стороне приобретает вид, данный на рис. 3.3.
Необходимо отметить, что часто при рассмотрении ра-
боты трансформаторов исходят не из соотношений четы-
рехполюсника, а из теории, разработанной еще в начале
20-х rодов Роrовским (rермания). Соrласно этой теории
Маrнитное поле трансформатора состоит из трех независи-
мых друr от друrа потоков OCHoBHoro, определяемоrо со-
IO 855
145
вокупным действием МДС i!w! и i2W2 И сцепленноrо
ным числом витков w! И W2, И двух потоков рассеяни:
ходящих по воздуху и сцепленных соответствеЮ!i
и W2. Этим условиям соответствует также Т С)браЗН;1
ма замещения, только внешне схожая с рассмотреННI
ше. В ветвях этой Т образной схемы фиrурируют 1;
зываемые сопротивления рас еяния, которые в HeKU 1 \ ,
конструкциях оказываются отрицательными. Это свв
тельствует о том, ЧТО они представляют не физичеСКИЕ
только расчетные величи
2 2 Серьезные работы
R1 k L11k Mk R2 L22 Mk
правильному учету элею
! маrнитноrо расС''''
(Э. А. Меерович и др.)
r qlk . 12 1/2 опубликованы еще в I
зо х rодов. Современн
следования даны в р;
Р 3 3 С ВЗИ (Л. В. Лейтес)
ис. .. хема замещения TpaHC
форматора ВНИИЭ (М. Х. ЗИХЕ'i
3.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА И ИХ РАБОТА
В УСТ АНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
Общие условия. По принципу преобразования тока ИП
делятся на электромаrнитные,оптико-электронные (см., Ha
пример, [41]) и некоторые друrие. К последним относятся
так называемые маrнитные и дискретные, обычно на базе
маrнитных (разрабатывались под руководством В. Е. Ка-
занскоrо [17]). Ниже рассматриваются в основном электро-
маrнитные преобразователи, называемые просто траНСфОР-
маторами тока.
Расчетное сопротивление в ветви Т-образной схемы за-
мещения с первичной стороны практически не влияет на
токи в схеме замещения (рис. 3.3). Поэтому ОНО из рас-
смотрения исключается и схем а замещения т А с наrрузкой,
приведенная ко вторичной обмотке, приобретает [-образ-
ный вид (рис. 3.4, а). Величина L2S===L22 Mw2/W! с раз-
мерностью индуктивности, не имеющая в общем случае ЯВ-
Horo физическоrо смысла, может иметь в некоторых конСТ-
рукциях отрицательное значение, но в литературе часто на-
зывается индуктивностью рассеяния вторичной обмоткИ.
Трансформаторы тока работают в режимах, близких к кз
на вторичных зажимах. Поэтому индуктивность наrруЗКИ
L H может быть соизмерима с расчетной L2s и правильное
146
определение последней может быть существенно для oцeH
ки работы ТА. Этот режим Т А определяет также ненадоб
ность в защите ero вторичных цепей от КЗ в них.
Условные положительные направления токов. В техни
ке защиты в отличие от некоторых друrих областей поло-
жительные направления токов в ИП обычно принимаются
противоположными (рис. 3.4, б): в одной от Н к К,
н Rz llS=Lz2 Hi
H
I w 1 l.z К Н tf 1
1 Wl ,
К '1:
Rok2 {!l. tfz
К [ н
К а) о)
jc.JLzs Iz
, + I
!1 !Z !о
2)
Рис. 3.4. Расчетная схема замещения Т А (а), принятые условные поло
жительные направления токов (в) и их упрощенная векторная диаr-
рамма (6), полная векториая диаrрамма ТА (z); на рис. M'==Mk
в друrой от 1(, к Н. При этом, пренебреrая намаrничиваю-
u;им током, имеем !IW! 2W2===0 и 12=== (wI/W2)1! ===1 . rде
1 u
1 это !.!, приведенныи к числу витков W2. Соответствую
щая упрощенная диаrрамма токов дана на рис. 3.4, в. Уrол
..-....
!2! ==00, 1 21 == '!. 1, и такой упрощенной диаrраммой мож-
но пользоваться как для 1!, так и для 12, что более KOM
пактно, удобно.
Векторная диаrрамма ТА. Векторные диаrраммы стро-
ят:я для синусоидальных электрических величин и при ли
неиности всех сопротивлений. Однако даже при синусои-
дальности 11 вторичные величины за счет нелинейности
характеристик намаrничивания маrнитопроводов ТА оказы-
10*
147
ваются несинусоидальными. Поэтому используе::ся \
эквивалентных синусоид, соrласно которому деИСТВIi
ные величины заменяются эквивалентными им по де!!
ющему значению, синусоидальными. Необходимо, ОД
отметить, что при сильных насыщениях маrнитопр(
этот прием оказывается недопустимо неточным и во вн
(Я. С. rельфанд) [9] предложеflЫ друrие решения вон
Диаrрамма на рис. 3.4, с может строиться по расч,
схеме замещения на рис. 3.4, а (предположено, что L
ложительна). Полезны также некоторые соотноше l!
рис. 3.4, б в части ЭДС, наводимых в обмотках [1]. 3
ходный принят вектор тока 12. Отдельные величины I
чают следующее: и 2 ===- (Rи+jroL И ){2 напряжение II
жимах НХ вторичной обмотки; €.2 == !!2+ (R 2 + jroL 2
ЭДС индуктируемая во вторичной обмотке и равная
же B KTOPY напряжения на ветви схемы с сопротивлl'
jroMW2/Wl (для ЭДС принято удоб ое положительно,
правление, противоположное ); 1!}. ток, проход:
В схеме через параллельно соединенные сопротив, I
Ro (W2/Wl)2 И jroMW2/Wl; он отстает от Е 2 на у ол, нес
ко меньший 900, и определяется выражением!о ! lWl
12; ток 1 принято называть намаснuчuвающuм, а вен
ко орой O H проходит, ветвьЮ намаrничивания. Таки'
Р азом П р и обычно активно индуктивной наrрузке вт'
, , \
ный ток HeMHoro меньше 11 и опережает ero на уrол I
рактеризующий уrловую поrрешность ТА.
Поrрешности работы ТА. В соответствии с [ОСТ Р:
чают токовую, полную и уrловую поrрешности ТА. Эl,'
rрешности принято оценивать для одиночно работа!<,
Т А что для защиты, включаемой на токи двух или
фа одноrо или даже нескольких элементов электрс\'
новки, в общем случае является неточным по ряду пр I
При соединении Т А в rруппы считается обязатеЛI
апределять наrрузки на них с учетом этих соединеНlI;
Токовая посрешность fi определяется ариф ети:\'
разностью 12 и приведенноrо через номинальныи KO
циент трансформации ТА KIhom===-11иом/12ИОМ тока 11.
защиты обычно КIиом===-W2/Wl, так как специальных ко)
ций выполняемых при наrрузке в виде измерительныл
бор;в, здесь не осуществляется. Учитывая это, имее :
!; == (12 1 ) 1001I == (1 2 W/W 1 11) 1001I 1 .
При активно индуктивной наrрузке, как указывалось,
12 меньше 1 . Поэтому поrрешность оказывается отрица
тельной. Полная посрешность 8 определяется rеометрИчес
кой разностью тех же токов:
8 == I 2 ; 1100/1 ; I == '! 1100// '. (3.2)
Полная поrрешность 8, таким образом, больше fi. Для
определения 8 применяется и более общее выражение (см.,
например, [16]).
Из векторной диаrраммы на рис. 3.4, с наrлядно видно
также, что в течение малой доли периода ток i 2 действует
на маrнитопровод в том же направлении, что и ток i 1 .
Допустимые значения 8, f;. В настоящее время для oцeH
ки точности работы Т А в схемах релейной защиты преиму
щественно используется полная поrрешность Е, хотя для
ряда защит (максимальных тОковых, дистанционных и He
которых друrих) важна поrрешность fi. Это определялось
рядом причин, одной из которых явилось стремление к
унификации задаваемых характеристик для Т А с учетом
Toro, что 8 обычно несколько больше fi и ее применение дa
ет некоторый запас в расчетах, например, допустимых для
ТА наrрузок.
Для мноrих типов защиты (например, ступенчатой TOKO
вой) определенная точность работы необходима в первую
очередь при токах I\З, равных параметрам их срабатывания.
Для друrих защит (например, дифференциальных токовых)
это MorYT быть максимальные значения сверхтоков (I\З,
качаний). Считается достаточным иметь в этих режимах
8 10 %. Для некоторых защит имеет значение I! уrловая
поrрешность 6; уrол 6 при Е===- 10 % оказывается не превос
ходящим нескольких [радусов, что является приемлемым.
Рассмотренный подход к определению требований к дo
статочно точной работе Т А не исключает возможности их
работы со значительно бо.'IЬШИМИ поrрешностями. Так, Ha
Пример, при близких I\З со значительными кратностями
тока маrнитопровод Т А защиты может насыщаться и Е пре
выШать 10 %. Такие режимы должны учитываться, с тем
чтобы повышенные поrрешности не приводили к отказам
измерительных opraHoB защиты, для которых устанавлива
ются обычно экспериментально, максимально допустимые
8 или fi (см., например, [42]).
Кратность первичноrо тока. Различают предельную HO
мuнальную кратность КI Оном ===- 111тax/IIHoMle 10%; . rаранти
148
149
руемую поставщиком, при которой 8 при номинальн
наrрузке с COS <Р2===О,8 не превосходит 10 %, и просто Щ
дельную кратность К 10 , отличающуюся от номинальн
тем, что она соответствует любой наrрузке. Последняя u.
роко используется на практике для определения макс
мальных допустимых наrрузок на ТА. Соответствующ
расчеты производятся по КРИВbj:М, даваемым, например, ::
водами поставщиками при cOS <Р2===О,8. Примерный вид с
ной из таких кривых, которые строятся (начиная с КI0, п,
которых еще не наступила точка переrиба кривой Вт расч
:=;f(H) при малых Н [16]) в лоrарифмическом масЩта(,
приведен на рис. 3.5. Одна из точек этой кривой принцип,
К 10
12
ZH,HOM Z
к
Н 1
Рис. 3.5. Кривая кратнастеЙ Рис. 3.6. Зависимость 12 f(Kl)
Kl0 f(ZH) в лоrарифмическом
масштабе
ально должна была бы соответствовать КI0НОМ, одна!'
ставщики обычно дают KIOHOM со значительным за!!
Необходимо также отметить, что поrрещности 8 Прll
11HOM оказываются, как правило, меньщими, чем Пр11
дельных кратностях, что для некоторых защит дает во '
ность выбора меньщих значений пара метров срабатьш
Зависимость вторичноrо тока 12 от кратности перви'
КI 11/IIHOM. Примерный вид такой зависимости д;:
рис. 3.6. При небольщих кратностях 12 примерно проn
онален 11. При некотором значении К! 12 оказывается
щим 1; Haft 1 О %. Далее скорость нарастания 1.2 вс
вие насыщения маrнитопровода начинает резко умень:
ся и ток 12, как rоворят, достиrает значения 12тах. Со-
ствующая ему индукция насыщения условно при ним
для электротехнических сталей примерно 2 Тл. Форм;;
вой 12 при этом оказывается сильно искаженной.
150
Работа ТА при rлубоких насыщениях маrнитопровода.
Как уже отмеча.l0СЬ выще, использование метода эквива
лентных синусоид для анализа работы Т А при r лубоких
насыщениях неэффективно. Используются друrие подхо
ды. В СССР работы ПрОВОДИЛИсь в НПИ ИЭД АН УССР
МЭИ, ЭСП (А. Д. Дроздов, И. м. Сирот;, В. Е. КазанскиЙ
их ученики, Э. М. Либерзон и др.). Основные разработки
оь ли связаны с riрименением разных аппроксимаций кри
вои намаrничивания Bтax===f(H). Наиболее простым и час
1;0 приемлемым является метод, использующий прямоуrоль
вые характеристики намаrничивания метод ПХН под
робно проработанный в [17, 42].' ,
Рис. 3.7. Осциллоrраммы токов
т А при ero rлубоком иасыщении
и активиоЙ наrрузке
Рис. 3.8. Расчетные зависимо-
сти электрических величин при
r лубоком насыщении ТА
Основой для рассматриваемоrо метода является свое.
образный характер изменения MrHoBeHHblx значений BTO
ри:.ноrо тока i 2 во времени (например, по рис. 3.7). В каж.
дыи полупериод процесс трансформации может быть
разби":, на участки времени с достаточно точной трансфор
ациеи тока и участки, коrда трансформация практически
отсутствует и ток i 2 близок к нулю. В первом случае ин
уктивность в ветви схемы замещения велика, во втором
\, ала. Этим условиям и соответствует прямоуrольная
аппроксимаr:,ия кривой намаrничивания. При мер соответ.
Ствующих еи расчетных зависимостей электрических Be
,1I1ЧИН дан на рис. 3.8. Обращает на себя внимание, что
индукция В в маrнитопроводе достиrает индукции насы.
щения не немедленно при Появлении тока i 1 , а через неко,
торое время, поскольку, как известно, ее MrHoBeHHoe зна .
i чение пропорционально площади, оrраниченной кривой
151
t
ЭДС e2t(eU == j'e2(t)dt). Как было показано разраБО1
О
ками метода ПХН, весь процесс во времени при rлуб
насыщении можно для данноrо Т А описать при зад:!
наrрузке и кратности первичноrо тока К1, опредеЛИI)
этоrо отношение Внас/Втрасч, rде В нас принятое I
ное значение индукции насыщения, а Втрасч раСЧl
максимальное значение индукции в предположении (j
ствия насыщения. Этот коэффициент обычно имен'
обобщенным параметром Т А и в литературе обознач;
через С или A z . Он имеет значения, меньшие 1; ПрИl
мые результаты дЛЯ ТА с маrнитопро.водами из ХОо11
катаной стали получаются при A z <0,9....,....0,95.
При практических расчетах важно определять ДОII
мое для данных измерительных opraHoB исскажение 1
rлубоких насыщениях. Оно обычно характеризуuется
симально допустимой поrрешностью fiДоП по деиств)'
му значению 12. В [42] предложено определятьfi ПрJl
боких насыщениях, используя обычно известные кр
предельной кратности К10 == I Ilтax/11HoM I e 10% .
этом KlO корректируют повышающим коэффициентом
== I Ilmax/Hac 111 I lmax 1. В результате получают Kтax
На рис. 3.9 приведена получающаяся с учетом работ
АН УССР универсальная зависимость f(A) от fiHac !
ная для расчетов, но требующая дополнительнои
верки.
Практически почти все выпускаемые в настояще('
мя промышленностью электромеханические и ПОЛУПР()l),'
А
8
О 20 40 БО f- i ' %
Рис. 3.9. Зависимость коэффи' Рис. 3.10. Присоединение Halp, "
циента А от f i ко вторичной обмотке ТА
152
никовые измерительные opraHbI допускают в дополнитель-
ных расчетных режимах работу с fiдоп 50 %. В случае,
если при известном fiдоп Ктах/А оказывается больше КI0,
за расчетную кратность, например при определении допу-
стимой наrрузки на ТА, предлаrается принимать не пре-
дельную кратность K 10 , аКтах/А.
При рассмотрении влияния насыщения ТА на работу
ИО защиты учитывается, что кривые i 2 , как и io, в рас-
сматриваемом установившемся режиме являются периоди-
ческими функциями, симметричными Относительно оси
времени t. Поэтому они, разложенные в ряд Фурье, содер-
жат нечетные rармоники (1, 3, 5 и т. д.).
Функционирование Т А в разных условиях работы их
ВТОрИЧной цепи. Фаза защищаемоrо элемента, в которую
последовательно включается первичная обмотка Т А, яв-
.1яется для последнеrо, как уже отмечалось, идеальным
источнИКом тока. Наrрузка Т А, характеризуемая RH и L H ,
имеет весьма малое значение по сравнению с индуктивно-
стью MW2/Wl ветви намаrничивания (рис. 3.4). В этих ус-
ловиях Т А работает обычно в режиме, близком к режиму
К3 на ero вторичных зажимах, и сам может рассматри-
ваться как источник тока, питающий свою наrрузку. По-
этому наrрузки, обычно определяемые СОПротивлениями
ИО, должны включаться (в отличие от наrрузок на сило-
вые трансформаторы и первичные ИП напряжения) после-
довательно (рис. 3.10). При размыкании ВТОРИЧной обмот-
ки весь ток 11 оказывается намаrничивающим. В резуль-
тате маrнитопровод Т А может сильно переrреваться, а
MrHoBeHHbIe значения напряжения на вторичных зажимах,
примерно пропорциональные V I ml , MorYT быть недопу-
стимо большими прежде Bcero по условиям изоляции
вторичных цепей. С учетом изложенноrо режимы работы
Т А с разомкнутой вторичной обмоткой являются, как пра-
вило, недопустимыми уже при 11 ==/ 1HoM , а работа с зако-
роченной обмоткой может рассматриваться как частный
случай нормальной работы. Недопустимо высокие и 2 ма-
[ут появляться иноrда также при больших значениях
токов К:3 и наrрузок ZH' Это учитывается при определении
допустимых значений наrрузок.
По правилам электробезопасности вторичная цепь ТА
должна заземляться у ВОзможноrо места пробоя, т. е.
у места установки ТА (рис. 3.10). Однако иноrда допуска-
ется как более рациональное заземление вторичной цепи
у места установки устройства защиты. Необходимо так-
153
же отметить, что рассматриваемое заземление никак 1,
ответственно не влияет на появление недопустимых 1
пряжений на вторичных зажимах, а само" может на]
шаться в системах с rлухозаземленными неитралями П'
прохождении по нему первичных токов К3.
В некоторых случаях, наqример при оперативНt
ременном токе (см. rл. 4), возникает необходимость
чения от Т А максимальной мощности вне зависимо,
возникающей при этом большой поrрешности Tpal!
мации fi. Мощность, отдаваемая Т А, 52=== U 2 1 2 ===Л Z
линейной схеме замещения Т А с наrрузкой Zи макс]!
ная отдаваемая
ность достиrается, h;
вестно, при прим(
равенстве сопротив.
ветви намаrничивэ J
вторичной ветви I
новном Zи). При
если уrлы сопротив
одинаковы, fi 50 %
нелинейной схеме
получается при ,С
соотношениях соп;
лений. Возможные
симости 52 от Zи ИЛИ и 2 при заданном неизменном l'
riрiпзедены на рис. 3.11. Уже при 11===IIИОМ МОЩНОСТЬ.)2
мноrих исполнений т А может достиrать сотен вольт амr
при номинальных мощностях Т А в десятки вольт ампер.
$2
82
I 1 =const
а)
ZH
Рис. 3J 1. Зависимость мощности 52,
отдаваемой т А при заданном 11 от
и 2 (а) и ZH (6)
33. РАБОТА ИП ТОКА В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ
Устройства основной релейной защиты от К3 час:
ботают без выдержки времени. Собственные времен
батывания таких защит для быстродействующих
нений, применяемых в системах сверхвысоких и у
высоких напряжений, обычно не превышают 0,02 1
держки времени вторых ступеней защит с относит!
селективностью также бывают весьма небольш
обычно не превышают нескольких десятых долей се),
. Поэтому при выполнении защит и питающих их ТС'
цепи т А часто оказывается необходимым учитываl1
никающие при К3, а иноrда и при разноrо рода пе]'
чениях не успевшие затухнуть электромаrнитные пе:
ные процессы. Как было рассмотрено в rл. 1, ОНИ \
154
теризуются наличием в электрических величинах (токах)
кроме основных rармоник с частотой 50 [ц апериодичес
ких и затухающих знакопеременных слаrающих (не rap-
моник), характеризуемых условно частотами, большими
основной, но часто имеющих слаrающие, близкие к по
следней. Приходится также считаться с переходными про
цессами, возникающими в самих устройствах защиты.
Применительно к работе Т А основное внимание было,
естественно, уделено влиянию на эту работу апериодиче
ских слаrающих. Первые существенные исследования в
этом направлении были проведены в конце 20 x rодов для
Т А с линейными характеристиками. В дальнейшем они
уточнялись, в том числе и отечественными специалиста-
1И, В целях упрощения учитывалась только основная rap-
моника тока и соответствующая ей апериодическая сла
rающая. В этих условиях при возникновении К3 аварий-
ная слаrающая тока i I ===l т1 cos (ffit 6) lтlcos6exp
( t/TI) или il===ilпер ilа, rде 6 уrол, характеризующий
фазу 11 в момент t===O, l т1 cos 6 начальное значение апе
риодической слаrающей i 1a , Т 1 ее постоянная времени,
определяемая отношением L/R цепи, в которую включен
ТА. При 6===900 i 1a вообще не возникает и ТА работает в
ранее рассматривавшихея установившихся режимах. При
6===00 i 1a имеет максимальные значения. Процесс ero из-
менения во времени показан на рис. 3.12, а. Н а рис. 3.12, б
приведен возможный режим трансформации i 1 и i 1a для
этоrо случая, полученный решением соответствующих
дифференциальных или операторных уравнений. Ero рас-
смотрение дает возможность сделать следующие выводы:
Э. Трансформируются как i 1пер , так и ila, поскольку
второй также изменяется во времени, однако характер
этой трансформации для i 1a совсем друrой, чем для i!пер.
Ток i 1пер распределяется в схеме замещения Т А, как изве-
стно, обратно пропорционально сопротивлениям Z ===R+
+jffiL, а ток i 1a обратно пропорционально R L/TI' Чем
больше TI, тем большим оказывается ioa. В результате
намаrничивающие токи io MorYT во MHoro раз превосхо-
:щть их значения в установившемся режиме. Особенно
плохо i 1a трансформируется при мноrофазных К3 вблизи
шин мощных станций, коrда Т 1 бывают максимальны, дo
стиrая нескольких десятых долей секунды.
2. В контуре схемы замещения в цепи с током io ПОЯВля-
ется дополнительно свободная апериодическая слаrающая
iOcB,a, поскольку В цепи с индуктивностями ток MrHOBeHHO
155
появиться не может. Она затухает с постоянной времени
т 2 этоrо контура и может иметь значения как большие Тl,
так и соизмеримые с ним. Это определяет характер изме
нения во времени результирующеrо тока { о . Рисунок
3.12, б соответствует случаю Т 2> Т 1 (Т 1 === 0,05 с, Т 2 === 1 с).
Чем больше Т 1 и Т 2 . тем медленнее затухает переходный
процесс. В некоторый момент времени {о приобретает MaK
симальное значение.
ilпе р=Iт l соsшt
to
0,5
0,2
О t,c
0,5 I
I
I
I
\ i t
1а.= Iтlёfi
t а)
i1=I т 1{cO sшt еТ;)
ioa.
\
'- jОП Р ,
nn. n ' .. .. .
0;2 '" u 0,'1. 'UU"
t,L
"1
ly [о
\, 111. v
V 'U'
ioeB.a
0,011
0,02
о
0,02
0,011
0,06
о)
Рис. 3.12. Изменение во времени MrHOBeHHbIX значеннй ТОКОВ в ТА:
а первичноrо тока; 6 намаrннчивающеrо тока
Значительно более сложными являются переходные
процессы в Т А со стальными маrнитопроводами, коrда
последние при КЗ даже при относительно небольшиХ
кратностях тока, содержащеrо i 1a , MorYT rлубоко HacЫ
iцаться. Первые серьезные исследования в этой областИ
в СССР были проведены в начале 30 x rодов в лаборато-
рии им. А. А. Смурова (Н. Н. Поташев и др.). В частно-
сти, была показана вероятность существенноrо влияния
на начальные значения { 2 и {о остаточноrо намаrничива
ния маrнитопроводов. В дальнейшем эти работы проводи-
лись во ВНИИЭ, ИЭД АН УССР и друrих орrанизациях.
Для расчетов ПРИМelНЯЮТСЯ разные способы аппрокси-
мации кривых намаrничивания (как и для расчетов уста-
новившихся режимов с rлубоким насыщением), метОДЫ
156
физическоrо и математическоrо моделирования; в peKO
мендациях МЭК по расчетам переходных процессов в ТА
использовался метод наклонных характеристик намаrни
чивания (см., например, [42]). Метод физическоrо моде-
лирования получил развитие в работах ИЭД АН УССР
(5. С. Стоrний и др.). Метод математическоrо моделиро-
вания, наиболее универсальный, использовался на анало
rOBbIx машинах во ВНИИЭ (Я. С. rельфанд), в НПИ
(Э. В. Подrорный, С. Д. Хлебников и др.) и в БПИ
(В. И. Новаш и др.), на цифровых машинах в МЭИ
(к. С. Дмитриев и др.) и друrих орrанизациях.
В общем случае для переходных режимов MorYT ис-
пользоваться примерно те же виды поrрешностей 8 и fi,
что И для Т А, работающих в установившихся режимах.
При этом учитывается, что большинство типов релейной
защиты предназначается для реаrирования на периодиче-
ские слаrающие первичноrо тока и что эти поrрешности
будут различными в разные периоды переходноrо процес
са. Уrловые поrрешности б MorYT определяться при этом
по основным rармоникам тока.
Возможные пути улучшения работы Т А в переходных
режимах. Для улучшения работы ТА в переходных режи
мах, что особенно важно для обеспечения эффективной
работuы быстродействующих защит, предлаrался ряд pe
шении. Основным из них, относящимся К собственно ТА
является использование в их маrнитопроводах немаrнит
ных зазоров с размерами, достаточными для обеспечения
характеристики, линейной в пределах возможных значе
ний токов К3 с учетом их апериодических слаrающих.
Применение таких зазоров практически устраняет и зна-
чительные остаточные индукции. Использование Т А с не-
маrнитным зазором в СССР было предложено еще в на-
чале 50 x rодов в ТПИ (И. Д. Кутявин) . В дальнейшем
большой вклад в разработку таких Т А внес ИЭД АН
УССР (И. М. Сирота, Б. С. Стоrний), который довел эти
разработки до практической реализации в системах на-
пряжением выше 500 кВ. Использование Т А с зазором
приводит при заданной вторичной наrрузке к увеличению
сечения маrнитопроводов. Поэтому их применение более
эффективно при относительно небольших наrрузках; та-
кие наrрузки MorYT обеспечиваться при использовании за-
щит, по троенных ноа микроэлектронной или микропро-
цессорнои элементнои базе. При оценке областей приме-
пения т А с немаrНИТflЫМ зазором основным остается
157
вопрос о вероятности появления значительных апеРI
ческих слаrающих, которые MorYT возникать в цепях с
обладающей индуктивностью только в моменты К3 (
лыми значениями MrHoBeHHbIx напряжений, что в сист,
сверхвысоких напряжений маловероятно. Следует т.'
отметить выявившиеся затруднения использованю
с немаrнитным зазором для защит с несколькими rp)
ми ТА разноrо типа (с зазором и без зазора). Поэ;
рассматриваемый вопрос тр'ебует дальнейшеrо уточНl
Возможным путем улучшения работы Т А в перехо..
режимах является использование быстродействующю
щит, работающих в самом начале возникновения 1\
доли четверти периода промышленной частоты, коrда &.
тромапtитные Т А работают в линейном режиме (нас!"
ние не на чалось ). Способ был предложен за рубежом i
менительно к защитам на микроэлектронной элемен .
базе. У нас пока не реализован.
Друrие способы отстройки от неблаrоприятноrо в
ния апериодических слаrающих (использование раз
рода фильтрации и т. п.), применяемые на практике, о
сятся уже не к выполнению Т А, а к ИО защиты.
3.4. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ИП ТОКА
Как уже указывалось выше, на практике, как прави
.'10, пока широко применяются электромаrнитные ИП
ТА. Они выполняются на все номиНальные напряжения,
выдают информацию о первичном токе в аналоrовой фор
ме, имеют одну первичную и одну, две или более вторич
ных обмоток, каждая из которых должна располаrаться
на отдельном маrнитопроводе, хотя номинальный коэффи
циент трансформации у всех у них одинаков. Номиналь
ные вторичные токи 5 или 1 А (последний обычно
при сверхвысоких напряжениях, коrда имеются большие
расстояния между местом установки устройств защиты и
ИП и необходимо снижение потерь мощности в соедини
тельных проводах, пропорциональных 1 ). С той же, в ча-
стности, целью в зарубежной практике используются
шунты-резисторы, включаемые на зажимы вторичных об-
моток Т А, с которых берется часть напряжения, пропорцио
нальная 12, для передачи информации по соединительнЫМ
проводам. Используются rакже Т А, встроенные во втулки
со стороны высшеrо напряжения трансформаторов (авто:
трансформаторов) и во втулки масляных Rыключателеи
158
на высокие напряжения. Стоимость, rабариты, материало
емкость отдельно устанавливаемых Т А резко возрастают
с увеличением номинальных напряжений. Возникают TaK
же и технические затруднения с их использованием (на-
пример, в СССР на сверхвысокие напряжения они выпол
няются каскадными). Поэтому в послевоенные rоды было
обращено внимание на друrие исполнения ИП с лучшими
технико экономическими показателями. К ним относятся
оптико электронные ТА (ОЭТ А), трансреакторы, маrнит
ные зонды, дискретные ТА.
Оптико электронные ТА. Вариант TaKoro Т А с исполь-
зованием маrнито оптическоrо эффекта Фарадея [41] был
предложен в ВЭИ (r. В. rолодолинский) еще в начале
60 x rодов. Ero основу представляет (рис. 3.13, а) преоб
разование cBeToBoro сиrнала монохроматическоrо источ
ника света ИС, находящеrося на потенциале земли, в но-
вый световой сиrнал с помощью маrнитооптическоrо мо-
дулятора Фарадея МОМ. Последний установлен на
высоком потенциале провода с током и находится под
воздействием маrнитноrо поля последнеrо. Сиrнал от ИС
передается на МОМ по оптико-волоконному (из стекло
волокна) каналу ОКl и возвращается обратно на потен
циал земли к оптико электронному преобразователю оэл
по второму такому же каналу ОК2. На выходе оэл
формируется электрический сиrнал, несущий информацию
() первичном токе, которая может использоваться и для
измерительной части защиты. На базе разработок ЛПИ,
НИИПТ, завода «Электроаппарат» (r. Ленинrрад) были
в свое время выпущены пробные образцы Т А на paCCMaT
риваемом принципе, которые должны были быть
конкурентоспособны с rроМОЗДКИМ, материалоемким элек
тромаrнитным ТА. Однако их весьма оrраниченные мощ
ности, сложность выполнения, неподrотовленность эле
ментной базы защиты не дали возможности внедрения их
в эксплуатацию. В настоящее время, при широком приме
нении микроэлектроники, вопрос о целесообразности для
сверхвысоких напряжений использования ОЭТ А вновь MO
жет оказаться актуальным. При этом внимание разработ
чиков привлекает друrой вариант выполнения таких ТА,
в котором источник питания также находится на потен
циале провода. Структурная схема TaKoro ТА приведена
на рис. 3.13, б. В состав ТА входят ИЛ тока ИЛТ на oc
нов е, например, обычноrо ТА, электрооптический преоб
разователь ЭОЛ, оптический канал связи ОК и оптико
159
электрический преобразователь ОЭЛ. Блок с ИЛ и эол
находятся на потенциале провода. Аналоrовые сиrналы
от ИЛТ поступают в ЭОЛ и преобразуются в оптические
сиrналы, обычно дискретные. По ОК эти сиrналы посту-
пают в ОЭЛ, установленный на потенциале земли, и пре-
образуются в электрические сиrналы, например дискрет-
ные. Точность Т А по второму. варианту оrраничивается
НОН
I I ,
, I A,IA I В,18
I I 1. Ф '.
....! I.i Ф 8 '1 А
\ 'r8 \ \ /
, "/АА //
"..... \ ..........
И[
t L 1 а)
.пт
i ti 1 а)
ФА
Рис. 3.13. Варианты структурных
схем выполнения оптико-электрон-
ных ТА
Рис. 3.14. Принцип действия Mar-
нитноrо ТА
точностью работы ИПТ и поэтому ниже. Ero недостатком
является также необходимость иметь специальный блок
питания (на схеме не показан), располаrаемый около
эоп. Однако конструктивное выполнение TaKoro Т А в це-
лом, по-видимому, следует считать более перспективным.
Трансреакторы (TAV). Они представляют информа-
цию о первичном токе Ёl в виде вторичноrо напряжения
и2. а не ток Ё 2 . как у ТА. Напряжение u2 == di 1 /dt. Коэффи-
циент трансформации KI,uHoM===IIHoM/U 2HoM . Сопротивление
наrрузки Т А V выбирается настолько большим, что он ра-
ботает в режиме. близком к холостому ходу. Поэтому
, KI,UHOM В значительно большей мере, чем у Т А, зависит от
сопротивления маrнитопровода. Для ПОJ!учения необходи-
мой точности трансформации маrнитопровод ТА V выпол-
няется с большим немаrнитным зазором, значение кото-
poro должно быть точно отреrулировано и неизменнО.
Использование Т А V неоднократно предлаrалось для за-
щит на микроэлектронной базе, имеющих большие вход'
НЫе сопротивления, с учетом Toro, что использование ТА V
160
обеспечивает естественную отстройку от апериодических
слаrающих в токе i l и снятие затруднений с выбором се-
чений соединительных проводов. Однако для высоких и
сверхвысоких напряжений ТА V распространения не полу-
чили из-за их rромоздкости, возможных технолоrических
затруднений в изrотовлении и присоединении нескольких
наrрузок. Для установок напряжением до 6 1 О кВ [43]
нашли применение ТА V с использованием ферритовых
маrнитопроводов. Трансформаторы тока, работающие в
режиме ТА V, применяются для выполнения простых и
дешевых маrнитных ИП, являющихся разновидностью
маrнитных зондов.
Маrнитные зонды и их разновидности. Они устанавли-
ваются в маrнитном поле измеряемоrо тока i l на возмож-
но малом воздушном расстоянии от провода с током Ё 1 ,
целиком располаrаясь на потенциале земли. Их первая
предложенная разновидность, названная маrнитным ИП
тока, представляет собой зонд индукционноrо типа. Ero
основным элементом является обмотка, устанавливаемая
таким образом, чтобы ее коэффициент взаимоиндукции
с проводом фазы, по которому проходит Ё 1 , был постоян-
ным и ПО возможности большим, а взаимоиндукция с дву-
мя друrими фазами трехфазной системы, обуславливаю-
щими помехи, была минимальной. Удачный вариант на-
званный дифференциальным маrнитным ТА, имею'щим
разомкнутую маrнитную систему, разработанный в
орrрэс под руководством В. Е. Казанскоrо [17], приве-
деи на рис. 3.14. Как видно из рисунка, маrнитный поток,
определяемый измеряемым током одной фазы, наводит в
двух катушках маrнитопровода складывающиеся ЭДС,
а поток от тока друrой фазы вычитающиеся ЭДС; скла-
дывающиеся ЭДС характеризуют измеряемый ток, а вы-
читающиеся помехи. Маrнитные Т А нашли применение
на Подстанциях 110 кВ с упрощенными схемами электри-
ческих соединений (например, без выключателей со сто-
роны высшеrо напряжения) для питания разноrо рода
токовых защит, а также в ряде друrих случаев [44]. За-
щиту при этом следует устанавливать непосредственно
около ИП, учитывая ero малую МОЩность и необходи-
мость уменьшения наводок в соединительных проводах.
Маrнитные зонды с использованием датчиков Холла
были разработаны в ЭНИН под рУководством Э. А. Ме-
еровича. На практике они в настоящее время применяют-
ся очень редко.
11 855
161
Дискретные ТА. Информация о первичных токах Пе'
редается от ИП, как правило, в аналоrовой форме. В СВО(
время В. Е. Казанский высказал убедительные соображl'
ния о целесообразности в ряде случаев использовани)
дискретных форм передачи этой информации. Дискретны!
СИI'налы менее чувствительны к помехам, особенно Пр\J
мышленной частоты, не предъявляют, как аналоrОВЫl'
жестких требований к сопр01ивлениям соединительны
проводов. Удачным оказалось создание дискретных Т А н,
базе маrнитных Т А, в которых в качестве выходных пар;]
метров используются интеrральные (не MrHoBeHHbIe) зн,:
чения электрических величин, их средние значения за п'
риод. При этом аналоrо цифровые преобразователи nr
зываются достаточно простым и по ИСПОЛЬЗОВи
устанавливаются у места расположения ИП и дают
можность значительно более широко применять ма;
вые т А и выполнять на их базе защиты разноrо ПрШi:
действия [44]. Имеются сведения о выполнении зару
ными фирмами дискретных Т А, у которых собственно
блок оперативноrо питания и аналоrо цифровой ,пр :
зователь находятся на потенциале первичноrо тока.
формация о MrHoBeHHbIx значениях i j с большой чаС'i
дискретизации в них передается последовательным ДI
ным кодом ПО оптико волоконному каналу непосредс 1
но к микропроцессорным устройствам защиты. ДИСКРl'
форма передачи информации может, конечно, оказыва
весьма полезной и для оптико электронных Т А, а пр!!;
пиально и для обычных ТА.
3.5. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ
И ИХ РАБОТА В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
Основы выполнения. Основными видами ИП напр
ния являются электромаrнитные ИП (рис. 3.15, а), 1I
ваемые часто просто трансформаторами напряжения
и емкостные TV (рис. 3.15, б). Упрощенной раЗНОВII
стью последних являются устройства отбора напр
ния ПИН (приспособления для измерения напр,
ния), известные еще с начала 30 x rодов. Они в на('
щее время образуются конденсаторными обклаДI,
втулок выключателей или вводов высшеrо напря)!\(
трансформаторов и автотрансформаторов (110 500
Все они обычно дают информацию о первичных и! В
лоrовой форме. В некоторых случаях используются
162
циальные разновидности ИП напряжения (оптико элект
ронные, антенные и др.) с соответствующими формами
представления информации. Электромаrнитные TV для
очень высоких напряжений получаются rромоздкими и
дороrими. Особые трудности возникают при выполнении
их внутренней изоляции. Поэтому уже при иHOM 110 кВ
они осуществляются ступенчатыми (с индукционными де-
лителями). При иHOM 500 кВ электромаrнитные TV не
используются. Вместо них применяются емкостные TV.
Они имеют (рис. 3.15, б) емкостные делители напряжения,
сочетаемые с электромаrнитными трансформаторами Т.
Емкостные делители одновременно используются как кон-
денсаторы связи высокочастотных каналов по проводам
.1ИНИЙ сетей (см. rл. 1).
А В С
11y,jll,j I JY2
К к а)
Про80д фаЗbl
Т И 1 =ИФ у
NC2 1[,
':" й)
Рис. 3.15. Условные изображения электромаrнитноrо (а) и eMKOCTHoro
(6) TV
При помощи eMKocTHoro делителя измеряемое напря
жение понижается в (С 1 +С 2 )/С 1 раз (обычно до 12 кВ)
и питает трансформатор Т, к вторичным зажимам KOTO
poro присоединяются наrрузки. Реактор LR с индуктив-
ностью L компенсирует вместе с индуктивностью рассея
ния Т падения напряжения в делителе от токов наrрузки.
uРасчетную схему замещения TV принимают Т образ-
нои (рис. 3.16, а) подобно изображенной на рис. 3.3, с ко-
эффициентом приведения k==W2/W!. Обычно Ш1 Ш2 и со-
противление TV, отнесенное к числу ВИТКОВ Ш! первичной
обмотки, весьма велико по сравнению с эквивалентным
сопротивлением электрической системы, в которую он
включен. Поэтому напряжение и ! в любых режимах pa
боты TV не зависит от сопротивления последнеrо и может
рассматриваться как идеальный источник напряжения
(с вНутренним бесконечно малым сопротивлением). При
изменении наrрузки вторичное напряжение и 2 остается
11*
163
практически неизменным. Изменяются только поrрешно-
сти измерения fu, 6, которые должны находиться в допу-
,стимых пределах. ПО изложенным соображениям TV в от-
личие от Т А может иметь несколько вторичных обмоток
(обычно две), расположенных на общем маrнитопроводе,
и нуждается в защите вторичных цепей оТ К3 в них, осу-
ществляемой предохранителями или автоматическими
выключателями. При принятых; условных положительных
направлениях и 1 и и 2 , пренебреrая потерями напряжения
в ветвях первичной и вторичной обмоток, имеем и; ==: и 2
(рис. 3.16, б). Наrрузки (ИО, измерительные приборы)
2 2 R2 /"22 MK н 1!! ,1!2
н /(1 К /"111< MI< А В С
j I'= ) R H 11
/"Н
к а.) J( о) 8)
Рис. 3.16. Расчетная схема замещения TV (а), упрощенная векторная
диаrрамма напряжений (6) и присоединение наrрузки (6)
включаются на TV, как и на силовые трансформаторы
(рис. 3.16, в). Соотношения величин внутри емкостных TV
естественно отдичаются от таковых для электромаrнит-
ных TV. Однако ряд общих положений относится и к ним.
Точность работы И П напряжения и отдаваемые ими
мощности. Одним из основных параметров TV является
ero номинальный коэффициент трансформации КИНОМ===
==: UIHOM!U2HOM. Он не в точности равен, например для элек-
тромаrнитноrо TV, отношению WI!W2 (как у ТА), так как
обычно предусматривается коррекция витков W! (Wl W2)
для обеспечения необходимоrо класса точности. Поrреш-
ность по напряжению
fu == (и 2 U/KUHOM)/(U/KuHOM) (3.3)
определяется дЛЯ TV наличием потерь напряжения в вет:
вях первичной и вторичной обмоток и значением витковои
коррекции. Уrловая поrрешность 6 определяется сдвиrом
по фазе между и 2 и U 1 . ДЛЯ емкостных TV поrрешности
определяются большим числом факторов. Для ПИН, вы-
полняемых в настоящее время только силами энерrоси-
164
стем, поrрешности вообще не нормируются, и они исполь-
зуются на практике преимущественно для таких целей,
как, например, фиксация наличия напряжения при авто-
матическом повторном включении (АПВ) и т. п.
При увеличении наrрузки (уменьшении ее сопротив-
<lения) сверх номинальной поrрешности fu обычно увели-
чиваются. Поэтому один и тот же TV может отдавать
большие мощности, работая в более низком классе точно-
сти. Максимальная мощность, которую они MorYT отда-
вать длительно, работая вне класСа точности, определяет-
ся условиями HarpeBa. Напряжения, подводимые к ИО
защиты, оказываются меньшими на значения потерь в сое-
динительных проводах. Поэтому допустимые значения
указанных потерь нормируются.
Типичными дЛЯ ИП напряжения, используемых для за-
щиты, являются условия работы при К3, коrда напряже-
ния и 1 у места включения TV MorYT быть MHoro меньше
U 1HOM . Однако поrрешности в этих режимах rOCT не нор-
мируются. Практически считают, что fu при пониженных
напряжениях обычно не превосходит значений при номи-
нальных напряжениях.
3,6. РАБОТА ИП НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ
Анализу работы ИП напряжения в переходных режи-
мах в отличие от Т А обычно уделяется меньшее внима-
ние. Это определяется в основном следующими причина-
ми: 1) значительные апериодические слаrающие в иl при
К3 появляются значительно реже, чем в i! (в системах с
сосредоточенными R и L, как было рассмотрено в rл. 1,
при Lс!Rс Lл!Rл их вообще поЧти нет); 2) емкостными
TV они практически не трансформируются, при электро-
маrнитных TV, как показали исследования НПИ
(Э. В. Подrорный и др.), их влияние на трансформацию
основной rармоники невелико; 3) знакопеременные коле-
бательные слаrающие (если они значительны) трансфор-
мируются TV, как и ТА, хорошо, но борьба с их отрица-
тельным влиянием осуществляется уже в ИQ защиты.
Необходимо отметить, что при близких К3, коrда ос-
таточное и 1 в пределе может снижаться до нуля, вторич-
ное напряжение на емкостном TV снижается замедленно,
так как требуется время для рассеивания энерrии, запа-
сенной при нормальной работе во BGex ero реактивных
элементах. Некоторые ИО MorYT при этом функциониро-
165
вать неправильно. Поэтому к емкостным TV предъявля-
ются специфические требования. Так, соrласно требова.
нИям МЭК И 2 остаточное после снижения И! дО нуля че-
рез 0,02 с не должно превосходить 0,1 И 1ном .
Возникновение феррорезонансных колебаний и борьба
с ними. ВозмоЖность возникновения устойчивых ферроре-
зонансных колебаний приходится учитывать при исполь-
зовании как емкостных, так. и электромаrнитных TV
У емкостных TV такие реЖИМ I MorYT возникать, напри
мер, при отключении КЗ во вторичной ненаrруженной
Ш цепи, Kor да в емкостях и индук-
тивностях запасается наибольшая
энерrия. Для подавления таких
феррорезонансных колебаний ко
вторичным зажимам трансфор-
матора жестко подключают рези-
стор и резко снижают рабочую
индукцию в трансформаторе Т
(см. рис. 3.15,6). По разработ-
кам ВНИИЭ (М. Х. Зихерман
и др.) для рассматриваемых це-
лей предложено использовать
быстронасыщающийся реактор
LR (см. рис. 3.15,6), активное сопротивление KOToporo
выполняет роль р зистора. У электромаrнитных TV ферро-
резонансные устоичивые колебания, как показали опыт
эксплуатации и исследования (см., например, [48]), MorYT
возникать как в сетях с И ном ==6--7-10 кВ, так и в сетях
110 220 кВ. В первом случае они обусловлены возник-
новением феррорезонанса между индуктивностью силовых
трансформаторов и емкостью питающей сети прн разрывах
в ей фаз. Под воздействием возникающих перенапряже-
нии первичная обмотка TV при rлухом заземлении ее ней.
трали (в OC OBHOM дЛЯ получения вторичноrо напряже-
ния нулевои последовательности, необходимоrо для
сиrнализации возникновения K 1) может недопустимо
переrреваться повышенными намаrничивающими то'
ками. Поэтому в эксплуатации идут даже на раззем-
ление указанной нейтрали. Во втором случае ферроре-
зонансные колебания MorYT возникать по той же причине,
что и в первом случае, или, что может быть иноrда более
вероятным, вследствие феррорезонанса между индуктив-
ностью TV и емкостями конденсаторов, шунтирующих
разрывы контактов воздуШных выключателей при отклю-
166
Рис. 3.17. Эквивалеитная
схема системы в режиме,
коrда возможны феррорезо-
наисные перенапряжения
чении шин с TV всеми выключателями (рис. 3.17). Для
исключения этоrо в эксплуатации принимают меры,
предотвращающие возможность появления подобных
опасных режимов.
3.7. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИй ИП И ЦЕПЕй УСТРОйСТВ ЗАЩИТЫ
Устройства защиты обычно выполняют вторичными
получают входные /р и Ир от вторичных обмоток ТА и TV.
Полная характеристика электрических величин защищае-
Moro элемента часто (например, для защиты линий) опре-
деляется тремя фазными токами и тремя фазными напря-
жениями. Поэтому, если все они или их симметричные со-
тавляющие требуются для функционирования защиты,
необходимо включение Т А и TV во все три фазы; при этом
Т А выполняются однофазными, а TV на Ином 35 кВ ча-
сто бывают трехфазными. В некоторых случаях для дей-
ствия защиты требуются полные токи только двух фаз
(например, для токовых защит при И HOM 35 кВ), тоrда
т А устанавливаются в двух фазах. Иноrда требуются
только междуфазные напряжения, тоrда дВа однофазных
TV включаются на междуфазные напряжения.
При микропроцессорной элементной базе все необходи-
мые слаrающие (например, полные аварийные) и симмет-
ричные составляющие всех последовательностей MorYT
получаться расчетным путем при известных полных токах
и напряжениях фаз. При электромеханической и полупро-
водниковой (интеrральной микроэлектронике) элемент-
НЫх базах симметричные составляЮщие нулевой последо-
вательности обычно получаются непосредственно путем
соответствующеrо соединения втор ичных обмоток Т А и
TV, а симметричные составляющие прямой, обратной по-
следовательностей и полные аварийные слаrающие в
специальных вторичных устройствах.
Современные ИО, выполненные с использованием инте-
rральной микроэлектронной базы, предъявляют к вход-
ным величинам Ир и /р особые требования их нельзя
присоединять, как электромеханические opraHbI, непосред-
ственно к вторичным обмоткам электром аrнитнЫх Т А и
TV, имеющих номинальные вторичные величины токи 5
или 1 А и напряжения 100 В. Особые трудности возникают
для цепей тока, в которых нормальный режим работы
близок к КЗ вторичных обмоток Т А, в то время как вход-
ное сопротивление микроэлектронной схемы весьма вели-
167
ко. Поэтому возникает вопрос соrласования цепей ИО
с вторичными цепями ТА и TV. Соrласование осуществля
ется, например при аналоrовой форме передачи информа
ции, применением промежуточных Т А и TV, TpaHcpeaKTO
ров, резистивных делителей и т. д. При этом учитывается,
что применение промежуточных трансформаторов и транс-
реакторов осуществляет полезное rальваническое разде
.1ение вторичных цепей ИП и микроэлектронной схемы.
В результате осуществляемоrо соrласования наrрузка
первичных Т А находится в допустимых пределах. Ниже
полаrается, что эти вспомоrательные устройства входят в
измерительную часть защиты.
3.8. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ Т А И ЦЕПЕЙ ТОКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
opr АНОВ, ВКЛЮЧАЕМЫХ НА ПОЛНЫЕ ТОКИ ФАЗ
В сетях с UHOM 35 кВ, в которых не бывает однофаз
ных КЗ, защиты линий целесообразно выполнять с двумя
т А (двухфазные схемы), обычно включаемыми во всей
сети в одноименные фазы (А и С). В сетях с UHoM 110KB,
которые работают с rлухозаземленными нейтралями
трансформаторов (автотрансформаторов), для защит He
обходимо иметь Т А во всех трех фазах (трехфазные cxe
мы) прежде Bcero для обеспечения их работы при кт.
Таким образом, получаются следующие схемы соединений
т А (рис. 3.18): неполная звезда (рис. 3.18, а), полная
l1c
} К ио
tlzc защu.ты
а)
118.
11С. } К ио
t защu.ты
1zc 8)
Рнс. 3.18. Схемы соединений ТА
168
} кио
защu.то/
lZA 128 12С а)
звезда (рис. 3.18, б), неполный треуrольник (рис. 3.18, в)
и полный треуrольник (рис. 3.18,2). Обратный провод в
схеме неполной звезды необходим для создания пути ВТ9-
ричному току IA+lc=i=O в рабочих режимах, при К(3), K 2k
и кJз , при He OTOpыx случаях K1 1); обратный провод в
схеме полной звезды необходим для создания пути BTO
ричному току !A+ B+lc=i=O при Ю 1 ) и К(1,!), а также для
получения составляющих нулевой последовательности
310==IA+IB+lc.
Ти пичными схемами соединений Т А и цепей тока ИО
защит являются следующие (рис. 3.19):
А В С
А 8 С
а.)
д)
.........
.......... ио
ИО
......"..
ж) a2A+lzc) з) и)
Рис. 3.19. Схемы соединеннй ТА и цепей тока пофазных ИО защнт
1) при МliО20систеМliЫХ защитах (с несколькими
ИО) двухфазная схема с двумя ИО (рис. 3.19, а) или
тремя ио (рис. 3.19, б), в которой третий opraH включен
на сумму токов двух фаз; трехфазные схемы с тремя ио
(рис. 3.19, в и 2) или четырьмя ио (рис. 3.19, д) с вклю-
чением четвертоrо ио на сумму токов трех фаз (310)'
Возможно также включение ИО на 310 по схеме на рис.
3.19, е;
169
2) при односисте.мных защитах (с одним ИО) ДBYX
фазная схема с жестким включением ИО на разность TO
ков двух фаз (рис. 3.19, ж) пли автоматическим включе
нием ИО, например с помощью максиселектора (или по
добных этому схем с операционными усилителями, см., Ha
пример, [57]) на больший из подводимых токов (рис.
3.19, з); трехфазная схема с автоматичеСКlIМ включением
ИО на больший из подводимых токов (рис. 3.19, и).
В настоящее время ЧЭАЗ по разработке вниир для
схем по рис. 3.19, з, и выпускает ИО (реле) тока с исполь
зованием операционных усилителей (см., например, [45]).
Схемы с такими орrанами являются проrрессивными и
должны получить применение.
Возможное техническое преимущество двухфазных
схем в сетях с UHOM 35 кВ иллюстрирует случай (рис.
3.20), коrда при повреждениях фаз В и С (или В и А) на
разных линиях, отходящих ОТ шин питающей подстанции,
будет отключаться только одна из двух поврежденных
линий с поврежденной фазой С (или соответственно А),
в которую включен Т А защиты; КЗ при этом прекращает
ея и остается только K 1} на друrой линии, которое может
даже самоликвидироваться. Такая ликвидация К:З будет,
очевидно, возможна, если Т А на линиях установлены в
одноименных фазах.
Достоинство двухфазной схемы с использованием в
ИО токов двух фаз и тока в обратном проводе иллюстри
рует случай Ю 2 ) за трансформатором с соединением об
моток У/Д (или Д/У), коrда!3 ТА питающей линии MorYT
оказаться токи J(2) в 2 раза меньшие, чем в третьей фазе
(rл. 1). По обратному проводу и в ИО в нем в этом случае
будет проходить сумма токов фаз с Т А, равная току в
третьей фазе, тем самым повысится чувствительность за-
щиты линии, питающей трансформатор. Необходимо
отметить, что рассмотренный
случай токораспределенИЯ бу
А В с дет также возникать при Ю l )
КВ в четырехпроводной сети 380/
220 В трансформатора с co
. единением обмоток У/У с за
землением ero нейтрали с пи
таемой стороны (см. rл. 1).
@
Рис. 3.20. Двойные замыкания на
землю на разных линиях
':'
170
Схема по рис. 3.19, ж для действия при рассмотренных
случаях КЗ за трансформаторами не приrодна, так как
ток в ее ио Iио==I2А I2С может быть равен нулю. Кроме
Toro, схема имеет сильно пониженную чувствительность
при некоторых видах Ю 2 ) на защищаемой линии (см.
rл. 4). Поэтому в связи с появлением указанных выше
opraHoB ее применение в дальнейшем окажется оrрани
ченным.
Необходимо отметить, что применительно к защитам
линий схема полноrо треуrольника, обеспечивающая полу
чение разностей токов фаз, обычно осуществляется не на
самих ТА, а в цепях ИО.
3.9. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ Т А И ЦЕПЕЙ ТОКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
opr АНОВ ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ НА СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТОКОВ
НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Схема выполняется с включением НО на фильтр токов
нулевой последовательности. Часто, как указывалось BЫ
ше, фильтр осуществляется непосредственно на Т А трех
фаз, вторичные обмотки которых соединяются на сумму
вторичных токов (рис. 3.21). В целях экономии сердечни
ков Т А схема обычно объединяется со схемами защит от
мноrофазных К:З, включаемых на полные токи фаз, Ha
пример со схемой на рис. 3.19, д или е.
rHoBeHHoe значение тока в opraHe нулевой последо
вательности ip==i2A+i2B+i2C' Вторичный ток Т А i 2 ==
==i; i == (il io)Wl/W2. Ниже индекс О для намаrничи
вающеrо тока в целях отличия ero от тока нулевой после
довательности заменяется на «нам». Принимая Wl/W2 для
всех Т А фаз в точности одииаковыми, получаем
i ио ==(i 1A +i 1B + ilC)W/W2 ('Анам + i виам + i CHaM ) W/W z . (3.4)
В общем случае i 1A +i 1B +iIC==3 io; токи i HaM при этом
содержат составляющие всех трех последовательностей.
Составляющие ' онам нулевой последовательности в i HaM дa
1,,0 ==12А +128 +1 zc
Рис. 3.21. Схема фильтра токов
нулевой последовательности
171
ют в сумме примерно 3 iOHaMW1/W2, а сумма составляющих
[ нам прямой И обратной последовательностей с учетом
возможно неодинаковых полных е и уrловых б поrрешно
стей трех Т А образует вторичный ток небаланса фильт-
ра iнб,в. В результате [10]
i ио 3 (io iCHaM)/ IIlOM iнб,В(i.+О)' (3.5)
Необходимо отметить, что иноrда ошибочно называют
вторичным током небаланса второй член выражения (3.5).
Это справедливо только для лучая, коrда.в первич.ных
токах фаз нет составляющих Ео. Понятие об lнб,в при Ео==
==0 получило широкое применение. Значение iнб,в зави-
сит от наrрузки фильтра. Поэтому использование этой ве-
личины при расчетах часто неудобно. В 40-е rоды ЧЭАuЗ
(А. М. Бреслер) было предложено ввести понятие о деи-
ствующем первичнодt токе небаланса { нб,П, представляю-
щем собой ток 310, полностью компенсирующий !нб,в и
поэтому получающийся не зависящим от наrрузки фильт-
ра. В настоящее время величиной !нб,п обычно пользуются
в расчетах. В этом случае ток в защите! 3 3 ! о 1...нб,п. При
достаточно точной работе ТА иноrда в ориентировочных
расчетах для установившихся режимов принимают 1.'!
3/0.
При номинальных первичных токах Т А токи /нб неве-
лики и обычно не превосходят 2 3 % /ном. При возраста-
нии первичных токов возрастают /нам И соответственно fнб.
Особенно большие /нб появляются при переходных про
цессах в ТА, коrда l нам MorYT приобретать весьма большие
значения. Пиковые значения MorYT достиrать в таких слу-
чаях мноrих десятков процентов первичных токов. Однако
столь большие i Нб существуют кратковременно и поэтому
должны учитываться для защит или ступеней защит, ра-
ботающих без выдержки времени или с небольшой вы-
держкой времени. Ток небаланса электромаrнитных Т А в
установившемся симметричном режиме, как это было по-
казана, например, в работах А. А. BocKpeceHcKoro (fop-
энерrо) конца 40-х rодов, состоит из первой и высших
rармоник, при небольших первичных токах в основном
из первой rармоники и при значительных токах (насыще-
нии маrнитной системы) в о сновном и з третьей rapMo-
ники. В общем случае /нб== V J б! + / б3 ' rде /нб1 пер-
вая rармоника небаланса, равная rеометрической сумме
172
первых rармоник намаrничивающих токов Т А трех фаз;.
/нБЗ третья rармоника тока небаланса, равная арифме-
тической сумме третьих rармоник тех же токов (являются
составляющими нулевой последовательности).
Более полная картина изменений токов небаланса бы-
ла дана в последующих работах (см., например, [17]).
Рассмотренная схема используется для выполнения за-
щит, действующих при Ю1), К(1,!) и K1 1).
В кабельных сетях фильтры токов нулевой последова-
тельности обычно осуществляются не с помощью трех ТА,
а однотрансформаторными, маrнитопровод которых охва-
тывает все три фазы первИчной цепи. Ero преимуществами
являются простота выполнения и отсутствие слаrающей
в токе небаланса, определяемой суммой токов нам а-
rничивания Т А трех фаз. Выполнение таких Т А рассмат-
ривается в rл. 9. Они при меняются также для специаль-
ных защит от K 1) reHepaTopoB, работающих на сборные
шины, коrда охватывают своим маrнитопроводом также
отрезки шин, соединяющих reHepaTopbI со сборными ши-
нами.
Для этоro указанные отрезки должны иметь пофаз-
ную изоляцию, подобную изоляции фаз статорной обмот-
ки (см. rл. 12).
3.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ НArРУЗОК НА ИП ТОКА
Для одиночно работающеrо ТА наrрузка определяется
полным сопротивлением ZH ero вторичной цепи, состоя-
щим из последовательно включенных сопротивлений цепи
НО, сопротивлений прямоrо и обратноrо соединительных
проводов Rпр и переходных активных сопротивлений в
"'1естах соединений. Она выражается в омах или вольт-
амперах, отнесенных к /2==/2НОМ с указанием cos ерн,
Для ТА, работающеrо в схеме защиты трехфазной це-
пи, ZH в общем случае зависит от схемы соединений Т А и
НО, вида КЗ и сочетания поврежденных фаз. Принципи-
ально оно может быть определено как расчетная величи-
на ZH===: и 2 // 2 . Здесь и 2 и /2 напряжение на зажимах
вторичной обмотки f А и ток в ней. Так, например, при
включении opraHa на разность токов фаз А и С и K 2l::
Zн,расч==Zн/ИО//2==2 ZH, так как /ио==2/ 2 . Используя та-
кой подход к определению наrрузки, можно выразить ее
через сопротивления всех элементов, питаемых через дан-
173.
ный ТА. Соответствующие выражения для Zн,расч приво
дятся В справочной литературе (см., например, [42] ). Р ас-
четным является наиболее тяжелый для работы Т А слу-
чай.
Для уменьшения наrрузки Zн,расч иноrда применяется
последовательное соединение двух вторичных обмоток
одноrо и Toro же Т А (например, небольшой мощности,
встроенных во втулки масляных выключателей) с одина-
ковым К/НОМ. Коэффициент К/НОМ схемы остается при этом
прежним. Сопротивление наrрузки, приходящейся на каж-
дую вторичную обмотку (один сердечник) ТА,
И/!2 == 0,5 (Zио + 2R пр ) I/!2 == 0,5 (Zио + 2R пр )'
Таким образом, наrрузка на каждую обмотку снижается
примерно вдвое.
Сопротивления ИО MorYT сильно зависеть от KpaTHO
ти тока и друrих факторов. В этих случаях моrли бы
. .определяться их значения для расчетных режимов. Одна-
ко, как это было показано, например, в [42], при исполь-
зовании для определения наrрузок кривых предельных
кратностей, построенных для линейных наrрузок, получа
.ется только некоторый запас.
Расчеты по определению допустимых наrрузок BeДYT
ся с использованием только периодических установивших-
,ся слаrающих токов К:З. Введение к расчетным кратно-
<стям токов К:З повышающих коэффициентов для учета
влияния переходных значений токов является нецелесооб-
разным и на практике не применяется. "
Допустимой является наrрузка Zн,расч, при КОТОРО!l
прежде Bcero поrрешности Т А не превышают предеЛЬНrJ
.допустимых значений (обычно 8== 10 % в расчетных точ'
ках по выбору параметров срабатывания и составляе'
несколько десятков процентов при близких КЗ, коrда тре-
буется только обеспечение четкой работы ИО). Допо ни
тельным условием является оrраничение напряжении В\,
вторичных цепях Т А при максимальных токах К:З в за-
Щите.
По окончательно установленной максимальной допус-
тимой Zн,расч при известных сопротивлениях ИО и их сое-
динений, а также Длине вспомоrательных проводов опре-
деляется минимально необходимое сечение жил послед-
них.
174
3.11. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИй ИП НАПРЯЖЕНИЯ И ЦЕПЕй
НАПРЯЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ opr АНОВ
Основной, универсальной схемой соединений ИП Ha
пряжения и ИО является схема соединений первичных
обмоток в звезду с заземленной нейтралью и двух вторич-
ных обмоток соответственно в звезду и в разомкнутый Tpe
уrольник (рис. 3.22). В последнем случае подобно тому,.
что рассматривалось для Т А, необходимо считаться с на-
,1ичием напряжений небаланса И нб , не превосходящих He
скольких процентов ИНОМ. Вторичные обмотки TV (как и
Т А) заземляются (защитное заземление). Рассматривае
.А в ('
Рис. 3.22. Схема соединения обмоток однофазных TV в звезду с вклю-
чением наrрузки и в разомкнутый треуrольник
мая схема дает возможность подключать ИО на вторич-
ные напряжения И 2 , пропорциональные первичным меж
дуфазным напряжениям (рис. 3.22, а), фазным напряже-
ниям (рис. 3.22, б), напряжениям фаз по отношению к
нейтральной точке системы (рис. 3.22, 8), а также напря-
жениям нулевой последовательности (рис. 3.22,2). При
Ином 35 кВ ИП обычно выполняются однофазными, при
И ном ==6....;-.10 кВ для такой схемы трехфазными пяти
стержневыми. Если не требуется измерять фазные напря
жения и напряжения нулевой последовательности, воз
можно применение схемы соединений первичных и вто-
ричных обмоток двух однофазных трансформаторов в
неполные треуrольники (рис. 3.23).
Вторичное номинальное напряжение TV обычно 100 В.
При этом фазное напряженИе равно 100/ Vз В. Коэффи-
175.
циент трансформации КИНОМ дЛЯ обмоток, соединенных
разомкнутый треуrольник, выбирается таким образом
чтобы 3 ИОтаХ/КИНОМ== 100 В. В этом случае для сете]
с rлухозаземленными нейтралями Ки НОМ== (ИНОII.,МФ
VЗ)/100, а для сетей с Ином 35 кВ (например, с изоли
рованными нейтралями) КИНОМ== (И ном ,мф/1/З)/(100/3
(учитывается повышение И 1Ф J!.o Vз Иф,раб И сложение в
разомкнутом треуrольнике трех вторичных напряжений).
В некоторых частных слуt.Iаях напряжение нулевой по
следовательности получают заземлением нейтрали систе
А В С
лв:
Рис. 3.23. Схема соединения об-
моток однофазных TV внеполный
треуrольник
0.)
о)
мы (например, нейтрали reHepaTopa) через однофазный
TV (рис. 3.24). При замыкании на землю нейтраль полу
чает смещение, равное И о . Способ иноrда используется в
-системах с Ином 20 кВ.
Питание цепей напряжения при отсутствии TV в защи
щаемой сети. Взамен напряжения нулевой последователь
} КИО
защuты
1
Рис. 3.24. Схема для получе-
ния напряжения нулевой по-
ледовательности
Рис. 3.25. Питание цепей напря-
жения ИО защиты от Т А в цепи
заземлеиия нейтрали силовоrо
трансформатора
176
ности можно использовать ток нулевой последовательно
сти, проходящий через rлухозаземленную нейтраль ДBYX
обмоточноrо трансформатора подстанции (например, при
И НОМ == 110 кВ), учитывая, что 'l.O== {O OT (рис. 3.25).
При автотрансформаторах и трехобмоточных трансформа
торах с rруппой соединений Yo/Yo/Д 12-11, связывающих
сети с rлухозаземленными нейтралями, использование TO
ка 10 по схеме, аналоrичной схеме на рис. 3.25, недопусти
мо [16]. Последнее было отмечено в 50-е rоды в ТЭП
(Б. И. Розенберrом). Полные напряжения фаз MorYT по
даваться со стороны низшеrо напряжения автотрансфор
маторов и трансформаторов не только при отсутствии TV
на друrих сторонах, но иноrда в целях обеспечения на-
дежноrо питания и по некоторым друrим причинам.
3.12. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ФИЛЬТРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
И ТОКА РАЗНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ
Специальные фильтры тока и напряжения нулевой
последовательности на практике используются редко. Для
получения 10 и И о , как было рассмотрено выше, обычно
применяются специальные соединения вторичных обмоток
Т А и TV. ДЛЯ получения же составляющих обратной и
прямой последовательностей, как пр.авило, применяются
специальные устройства фильтры.
В Советском Союзе практнческая надобность в фильт-
рах обратной последовательности выявилась в начале
30-х rодов и была начата в лаборатории им. А. А. CMYPO
ва. В дальнейшем эта работа была развернута и в друrих
орrанизациях. Она завершилась созданием научных основ
для их построения и расчета [5], а также целесообразных
форм их выполнения на электромеханической элементной
базе. В последние rоды в связи с использованием инте-
rральной микроэлектроники, операционных усилителей
некоторые общие положения и формы выполнения фильт
ров претерпевают существенные изменения. В этом Ha
правлении должны быть отмечены работы ЛПИ (В. к. Ва-
нин, r. м. Павлов [14]), МЭИ (Р. В. Темкина [46]),
ВНИИР (Л. А. Надель и др.) и друrих орrанизаций.
Задача построения, например, фильтров обратной по-
следовательности сводится к получению на их вторичных
зажимах величины, пропорциональной составляющей об-
ратной последовательности И 2 или 12, не зависящей от
1 2 855
177
составляющих и 1 , 11, и о , 10, содержащихся в первичных
электрических величинах.
Возможные пути выполнения фильтров вытекают из
рассмотрения, например, соотношения !!А2=== ( A+a2 B+
+aU c )j3. Преобразование этоrо выражения дает A2===
== [UАв+Uвсе iБОО)/3 или, если умножить ero на e i (/., в
более общем виде A2ej(/.=== (Ч- веj(/.+!! Bce j(БОО а) /3 и aHa
лоrично для тока lA2eia == (1Авеiа+lвсе i(бuО (/.))/З. Необхо-
димо отметить, что для фильтрации MorYT быть использо
ваны не только амплитудные, но и MrHOBeHHbIe значения
токов и напряжений, для которых также существуют по-
нятия симметричных составляющих. Таким образом, для
получения фильтра можно использовать две междуфаз
ные величины, поворачивая их на определенные уrлы и
rеометрически складывая; при этом уrол взаимноrо фаз
Horo их смещения должен составлять 600. Фазные сдвиrи
MorYT производиться подбором элементов фильтра; CYM
мирование величин иноrда заменяется суммированием
соответствующих маrнитных потоков. Мноrие фильтры
выполняются так, что электрические величины в каждом
из плеч при разомкнутых (фильтры и 2 ) и закороченных
(12) вторичных зажимах определяются только одной ИЗ
двух величин. Анализ работы таких фильтров удобно про-
водить, используя векторные диаrраммы [5]. Иноrда
удобным для анализа и построения фильтров [5] являет-
ся метод дуальных преобразований, позволяющий, в ча-
стности, получать схемы, например, фильтров 12 по пара-
метрам схем фильтров и 2 . Возможно получение произ-
вольно большоrо числа типов фильтров. Ниже в виде при
мера рассматривается получивший распространение в уст-
ройствах на электромеханической элементной базе пассив-
ный двуплечий активно-емкостный фильтр и 2 .
Для оценки подобных фильтров обратной последова-
тельности были предложены [5] показатели: (1.==
==S2тах/ S потр, ===S2тахjРпотр (мощности SПОТР И Рпотр 01
носятся К напряжению U j ===U 2 и току 11==12, для коте
определяется максимальная мощНость S2тax, выдеЛЯl'
на вторичных зажимах фильтра) и V показатель, 01
деляющий поrрешность фильтра при отклонении час I
от номинальной. При прочих равных условиях фильтр
лучше, чем больше (1. и и меньше "(. Для совреме!с
исполнений на операционных усилителях величины (1.
являются совершенно непоказательными.
178
Активно емкостный фильтр напряжения обратной по-
следовательности и2_ В отечественной практике он стал
применяться с 40 x rодов. На рис. 3.26 приведены схема
фильтра (рис. 3.26, а) и ero потенциальные диаrраммы
при подведении к фильтру соответственно системы напря
жений прямой и ! (рис. 3.26,6) и обратной и 2 (рис.
3.26, в) последовательностей. Потенциальные треуrольни-
ки АВт и ВСп, как определяемые R и Х == 1 jffi С, являются
прямоуrольными при вершинах т и п. При подведении и !
точки т и п совпадают и однозначно располаrаются по-
81
тn
С1
о)
в)
Ag
C g
Рис. 3.26. Активно-емкостный фильтр напряжения обратноЙ последова-
тельности
средиНе прямой A1C! (рис. 3.26, 6); тоrда XA/RA ==0,5/0,5 vз
и X c /Rc===0,5 1/3/0,5. При подведении и 2 и ра-
зомкнутых зажимах тп (холостой ход) диаrрамма приоб-
ретает вид, показанный на рис. 3.26, в. Она получается из
диаrраммы, приведенной на рис. 3.26,6, при перемене
местами напряжений !!АВ и !!ВС, вместе с которыми пере
мещаются и треуrольники АВт и ВСп. Напряжение и тn ==
== т Х !!2, rде ,!:х, если отнести !!2 к ljAB, равен 1,5 е iБОо . Рас-
смотренный фильтр прост в выполнении, имеет небольшие
rабариты и удовлетворительные показатели.
Для фильтра 12 моrла бы быть использована аналоrич
ная схема, получаемая дуальным преобразованием фильт-
ра напряжения по схеме, приведенной на рис. 3.26. Одна-
ко, если присоединяемая наl'рузка имеет малое сопротив-
ление, оказывается более целесообразным применение
трансформаторных фильтров 1(}. (см., например, [16]).
Рассмотренная схема фильтра обратной последова-
тельности может быть также применена для создания
фильтра прямой последовательности и комбинированноrо
12*
179
фильтра прямой и обратной последовательностей. Для
получения фильтра прямой последовательности достаточ
но изменить порядок подведения величиН к первичным
зажимам фильтра обратной последовательности. К:омби
нированный фильтр представляет собой соответствуЮщим
образом расстроенный фильтр обратной или прямой по
следовательности.
3.13. пРИНЦИП ВЫДЕЛЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СЛАrАЮЩИХ
Аварийные слаrающие электрических величин опреде
ляютСя как разность их значений при К:З и в предшеству
ющем ему рабочем режиме. Применительно к комплекс
ным их представлениям они определяются по выражению
(1.14): ав==fк раб. Аварийные слаrающие, так же как
и полные величины, разлаrаются на симметричные COCTaB
ляющие (см. rл. 1). Получение этих симметричНЫХ COCTaB
ляющих (если они требуются) принципиально можно
осуществлять двумя способами: сначала выделятЬ полные
аварийные слаrающие и по ним их симметричные COCTaB
ляющие или сначала определять симметричные составляю
щие в величинах Р К и Fраб и далее по выражению (l.14)
аварийные слаrающие отдельных последовательностей.
Предпочтение отдается способу более леrкому для реали
зации и зависит в значительной мере от применяемой эле
ментной базы. При этом следует учитывать, что при мик
ропроцессорной элементной базе (проrраммные защиты)
весьма просто выделЯются полные аварийные слаrающие
отдельных фаз, так как используют MrHoBeHHbIe значения
величин в последний период, предшествовавший К:З, и
в первый период после ero возникновения по первоначаль
НОМУ предложению ВНИИЭ (Я. с. rельфанд и Л. С. Зис
ман).
Рассматривая симметричные составляющие величИН,
необходимо отметить, что при отсутствии в рабочем режи-
ме несимметрий F ра б2ав===F ра боав===О и Рк,ав===Р к (напри
мер, И к2ав=== И 2 В понимании, рассмотренном в предыду-
щем параrрафе). Поэтому рассмотренный в нем фильтр
U 2 (см. рис. 3.26) явится и фильтром U 2аВ .
По друrому обстоит дело со слаrающими F 1aB В pac
сматриваемом симметричноМ режиме, так как даЖе при
К(З) Р\ав имеют конечные значения, наибольшие для U\ав В
месте К:З (см. rл. 1). Поэтому одноrо фильтра U\ (см.
3.12) оказывается уже недостаточно.
180
На практике приходится учитывать несимметрию в ра-
бочих режимах, определяемую неполнофазными режима-
ми (см. rл. 1), электрической тяrой, электротермическими
печами и т. д. В этих случаях для получения аварийных
симметричных составляющих любых последовательностей
одноrо фильтра (например, и 2ав по рис. 3.26) оказывает
ся уже недостаточно.
Необходимо TaK e подчеркнуть, что тот же и 2ав явля-
ется rеометрическои разностью величин в режимах К:З и
наrрузо:,ных, которая больше разности их абсолютных
значении. Это используется для реализации чувствитель
ных пусковых opraHoB в устройствах, например, блокиров-
ки дистанционных защит при качаниях (см. rл. 6).
3.14. МЕСТА ВКЛЮЧЕНИЯ ИП ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
НА ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ
В общем случае места включения Т А, используемых
для защиты, определяются с учетом относительной вероят
ности ерекрытий втулок Т А и относящихся К НИМ выклю
чател:и, необходимостью обеспечения ликвидации К:З в
.1юбои точке электроустановки, целесообразным выполне
нием ее конструкции и удобствами эксплуатации.
Просто ре;пается вопрос при Т А, встроенных во втулки
выключателеи. Основную защиту присоединения целесо
образно включать на Т А втулок, обращенных в сторону
сб?рных шин или ошиновок (рис. 3.27, а), Т А втулок дpy
rои стороны MorYT использоваться, например, для друrих
защит данноrо присоединения.
Выносные Т А наиболее часто включаются за выклю
чателями в сторону защищаемоrо элемента (рис. 3.27, б).
Для исключеН!lЯ незащищенных точек дифференциальные
защиты секции шин напряжением 6 10 кВ используют
т А, включаемые на стороне вне защищаемой секции (рис
3.27, в). Для элементов напряжением 11O 220 кВ и oco
бенно при св рхвысоких напряжениях Т А с двух сторон
выключателеи в целях экономии не устанавливаются
То:да появляются места, при К:З в которых защиты дaH
нои электроустановки не MorYT их ликвидировать (см Ha
пример, ри:. 3.27,2). Ликвидация таких К:З осущес вля-
ется устроиствами, работающими при отказах выключа-
телей (УРОВ, см. rл. 15) и выполняющими дополнительно
и рассматриваемую задачу.
Трансформаторы напряжения наиболее часто включа
181
ются на сборные шины или ошиновки, соединяющие меж
ду собой несколько элементов, и применяются OДHOBpeMeH
но для защит всех их присоединений. Исключением явля
ется, например, питание цепей напряжения защит линий
сверхвысоких напряжений. Оно осуществляется от eMKO
стных TV, дЛЯ которых используются конденсаторы связи
высокочастотных каналов связи по проводам линий. оче
видно, для защиты необходимо иметь эти емкостные TV
на всех трех фазах.
f( осно8
нои заЩ/l-
те
} за итан
/( Ф!! <'u м
защитам
а) о)
1. 11 1 /( 11
/(З /(щ
щите щит/? Щ/lт/? щите
с/?нции 1 С/?Jщии II элен/?нmа 1 элен/?нта [[
О) 2)
Рис. 3.27. Вариаиты мест включения ТА
Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют основные виды ИП тока и напря
жения?
2. Приведите схему замещения Т А с наrрузкой и BeK
торную диаrрамму.
3. Какие различают поrрешности ТА?
4. В чем отличие предельной номинальной кратности
т А от предельной кратности KIO?
5. Какие применяются основные схемы соединений ИП
тока и напряжения и цеп€й ИО защиты?
rлава четвертая
ИСТОЧНИКИ ОПЕРАтивноrо ТОКА
4.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Оперативным называется ток, при помощи KOToporo
производится управление первичной коммутационной аппа-
ратурой (выключателями, отделителями и т. д.), а также
182
питание цепей релейной защиты, автоматики, разных ви
дов управления и сиrнализации. Источники оперативноrо
тока должны быть rOToBbI к действию во всех необходи
мы; случаях, в том числе при К3 на элементах защищае
мои установки (коrда напряжение на ней может снижать
ся до нуля). Используются два вида оперативноrо тока
ПОСтоянный и переменный.
4.2. ОПЕРАТИВНЫй ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Источниками ПОСТоянноrо тоКа ЯВЛЯЮтся аккумулятор
ные батареи (рис. 4.1), централизованно питающие опе
ративные и друrие цепи (например, в защите аКтивные
элементы ее opraHoB, аварийное освещение и т. д.). Рабо
чее напряжение аккумуляторной батареи 220 110 В.
Д Шинки
си нали
n Шинки упр"'лени. ,""ии
: YIOrY
, 91 J
V aa: ; ;/!R V V У
торнои
батареи
I I I
I I I
fк;:;; Щн , А=
L+I IIJ У У )
:r
I\ci ...
,,
Рис. 4.1. Схема сети оперативноrо постоянноrо тока (УКИ устройст-
во Контроля изоляции)
183
Ранее применявшиеся напряжения 24 48 В в настоящее
время не рекомендуются. Для повышения надежности
сеть оперативноrо тока секционируется на ряд участков,
имеющИх самостоятельное питание от сборных шин бата
реи. Наиболее ответственными являются шинки управле
ния, к которым подключаются устройства защиты, aBTOMa
тики, управления. Все указанныe шинки функциональноrо
назначения также секционируются с возможностью их
объединения рубильниками. От К3 цепи защищаются aB
томатическими выключателями или предохранителями,
причем на кажДЫЙ выключатель питание подается через
отдельные автоматические выключатели или предохрани
тели (на рис. 4.1 не показаны): их исправность контроли
руется в схеме управления выключателя. В связи с этим
по катушке отключения включенноrо выключателя цирку
лирует небольшой ток, недостаточный для ero срабатыва
ния (см., например, [47]). Для обеспечения долrовечности
батареи должен соблюдаться необходимый режим ее за
ряда, подзаряда и разряда. Для этоrо используются aBTO
матически реrулируемые источники двиrатель rенерато
ры или в последнее время выпрямительные установки.
Наиболее частым видом повреждений в сетях опера
тивноrо постоянноrо тока являются замыкания на землю
в одной точке. Оно опасно тем, что при ero длительном
существовании возможно замыкание на землю во второй
точке провода Toro же полюса, которое в случае шунтиро
вания, например, контакта в цепи управления отключени
ем выключателя приведет к ero ложному отключению.
Поэтому считается обязательной установка на шинах ба
тареи устройства контроля изоляции, работающеrо на
сиrнал. В связи с учетом соображений, приведенных в He
мецкой литературе 30 x rодов, в СССР принято непосред
ственно подводить к элементам схем управления (напри
мер, электромаrниту отключения выключателя) напряже
ние от шинки «минус».
Аккумуляторные батареи являютСя надежными ИСТОЧ
никами питания, работа которых не зависит от состояния
основной системы. Однако они дороже друrих источнико'
питания, требуют специальноrо помещения и квалифици
pOBaHHoro обслуживания. Кроме Toro, в связи с централи
зацией питания необходима сложная дороrостоящая сет
постоянноrо тока, сама требующая ряда защит. ПОЭТОМ,
оперативный постоянный ток в первую очередь использу
ется на электроустановках, rде батареи требуются ДШ1
184
включения мощных выключателей с электромаrНИТНЫМIl
приводами, а также и для ряда друrих нужд (например,
н:а тепловых станциях, мощных rидроэлектростанциях и
подстанциях) .
На рис. 4.2 в виде примера приведена однолинейная
совмещенная схема токовой защиты, осуществленная pe
ле тока КАТ с выдержкой времени и учитывающая приве
денные соображения.
На. СЦ?'нQ/f
ТА
-=-
# SF
. Ш!l
K .,
;:: о 2 о := :Й; :е схема максимальной токовой защиты на опера
4.3. ОПЕРАТИВНЫй ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
В данном случае энерrия отбирается от элементов
электроустановки. При этом условно rоворят, что источ
ннками переменноrо тока MorYT быть ТА TV и тр Ф
маторы собственных нужд, включаемые OOTBeTCTB : O o
токи и напряжения элементов защищаемой установки
Трансформаторы тока MorYT являться надежными' ис
точниками питания защит только от повреждений, соп o
вождающихся значительными токами коrда ТА р
ни ' в состоя
и отдавать мощность, достаточную прежде Bcero для
работы привода выключателя. Использование Т А оказы
вается невозможным нап р име р . при К Щ
, , э , характеризую
щихся весьма малыми токами замыкания на землю а
,
185
также для оперативноrо управления в рабочих режимах.
Трансформаторы собственных нужд и TV в общем случае,
наоборот, неприrодны для питания защит от КЗ, сопро
вождающихся снижением напряжения до нуля, и MorYT
применяться для управления в режимах, характеризуемых
K (l) б
Имф, близкими к рабочим (например, 3, ра очие режи
мы). Все рассматриваемые трансформаторы MorYT также
использоваться не непосредственно, а для предварительно-
ro заряда специальных конденсатор.оВ. Энерrия, за;тасае-
мая в этих конденсаторах, используется как для деиствия
защит при любых видах повреждений, так и для работы
при исчезновении напряжения на установке.
Таким обраЗ0М, перечисленные источники питания не
являются универсальными, как аккумуляторная батарея,
а имеют свои оrраниченные области применения. Поэтому
на практике часто используется несколько раздельных
источников оперативноrо переменноrо тока или комбини
рованные устройства.
Ниже коротко рассматриваются следующие схемы ис
пользования оперативноrо переменноrо тока; с дешунти
рованием катушки отключения привода выключателя;
с блоками питания выпрямленным током, напряжением;
с предварительно заряжаемыми конденсаторами; с реле
прямоrо действия.
Схема с дешунтированием катушки отключения. На
рис. 4.3 приведена в однолинейном виде совмещеН!lая cxe
ма токовой защиты с реле тока КАТ с выдержкои BpeM -
. ни, имеющим специальный переключающий контакт без
разрыва цепи. В рабочих режимах и процессе срабатыва:
ния КАТ размыкающей частью cBoero контакта, имеющеи
УАТ
а
КА Т
Рис. 4.3. Однолинейная схема
максимальной токовой защиты иа
оперативном л ременном токе с
дешунтированием катушки элект-
ромаrнита привода выключателя
ТА
186
большую отключающую способность (с дуrоrасящим уст-
ройством), шунтирует цепь катушки отключения У АТ вы-
ключателя (нормально разорвана замыкающей частью
контакта). HarpY3Ka Т А определяется при этом относи-
тельно небольшой мощностью цепи обмотки КАТ, и ТА
работает с необходимой точностью (в расчетном режиме
€ 10 %). Замыкающая часть контакта реле повышает
надежность шунтирования (например, при с,'учайных
кратковременных ero нарушениях, больших токах). После
срабатывания защиты У АТ включается последовательно
с обмоткой реле, и через нее проходит полный вторичный
ток Т А, определяющий отключение выключателя. При
этом Т А может сильно переrружаться, работая в режиме,
близком к отдаче максимальной мощности, с поrрешно-
стями, MHoro большими 10 %. Однако для срабатывания
защиты это уже несущественно; необходимо только, что-
бы /2 был не меньше тока срабатывания У АТ и не стал
меньше тока возврата реле тока КАТ. В данной схеме,
как и в друrих с оперативным током от Т А защищаемоrо
элемента, не требуется заводить отключающую цепь через
контакт привода выключателя (необходимую в схеме на
рис. 4.2), так как с отключением последнеrо исчезает'и
отключающий ток, который Mor бы утяжелять возВ'раt
контакта реле в исходное положение. При отсутствии
у используемых основных opraHoB защиты специаЛЬНЫ:Ji:
переключающих контактов на выходе схем MorYT YCTaHaB
ливаться специальные промежуточные реле, выполняемые
с таким контактом.
Достоинством рассмотренной схемы с дешунтировани-
ем является ее относительная простота. Выпускаемые
промышленностью специальные реле тока и промежуточ-
ные реле имеют контакт, способный переключать ток до
150 А при условии, что сопротивление управляемой цепи
не превышает 4,5 Ома при токе 3,5 А. С учетом мощнос-
тей, которые MorYT отдавать Т А, и приведенных выше дан-
ных схемы MorYT применяться в сетях с Ином до 35 кВ при
пружинных приводах у выключателей, а также на. под-
станциях 110 220 кВ с короткозамыкателями и отделите-
лями. Однако со все более широким внедрением
интеrральной микроэлектроники, в том числе и на электро-
установках с И ном <З5 кВ, применение рассмотренной схе-
мы сокращается.
Схемы с блоками питания выпрямленным током. Под
ними понимаются устройства, питаемые от ТА, TV или
181
траlНсформаторов собственных нужд, выпрямляющие ток,
напряжение и обеспечивающие напряжение, используемое
для питания оперативных цепей. Блоки делятся на TOKO
вые (БПТ), напряжения (БПН) и комбинированные, co
стоящие из БПТ и БПН, работающих параллельно на CTO
роне выпрямленноrо напряжения. Блоки питания должны
выполняться так, чтобы напряжен,Ие на их выходе поддер
живалось во всех расчетных режимах достаточно стабиль
ным. Подводимые к блокам питания токи и напряжения
MorYT при КЗ, как известно, изменяться в широких преде
лах. Поэтому для выполнения указанноrо требования
дот!:на осуществляться стабилизация напряжения. Она
может выполняться по разНОМУ. Исследования и разра-
ботки, проводившиеся в течение ряда лет во ВНИИЭ
(Я. С. rельфанд и др.) по проблеме создания оптималь
ных устройств питания защит переменным оперативным
током [48, 49], установили целесообразные схемы выпол
нения стабилизации. ДЛЯ БПТ рекомендуется использова
ние параллельноrо феррорезонансноrо контура, дЛЯ
БПН часто дросселей насыщения. Однако при осущест
влении.защит с использованием элементов интеrральной
микроэлектроники необходимо еще дополнительное cr ла
живание выпрямленноrо напряжения. Возможная доста-
точно универсальная и экономичная структурная схема
комбинированноrо блока питания приведена на рис. 4.4.
В ней БПТ включается на разность токов двух фаз II
БПН на напряжение между этими фазами. В этой cxe
ме БПН обеспечивает, в частности, необходимое выпрям
ленное напряжение при замыканиях между двумя фазами
за силовым трансформатором с соединением обмоток У/Д
или Д/У, а также при однофазном КЗ за трансформатора
ми с соединением обмоток У/У с нулевым проводом
(Кu==380/220) , коrда (см. ['л. 1) разность токов с питаю
щей стороны может быть равна нулю, но междуфазное
напряжение, им соответствующее, близко к рабочему.
Иноrда схема дополняется вторым БПТ в третьей фазе.
Принципиальными преимуществами рассматриваемых
блоков питания являются возможно ть осуществления ин
дивидуальноrо питания оперативным током одноrо защи
щаемоrо присоединения и отсутствие широко разветвлен
ной (как при общей аккумуляторной батарее) сети
оперативноrо тока. Однако при значительном числе при
соединений экономически целесообразным оказывается
rрупповое питание (например, элементов секции шин).
в этом случае оперативные цепи' защит элементов защи
щаются отдельными автоматическими выключателями
или предохранителями. .
Существенным достоинством рассматриваемоrо спосо
ба питания является также возможность применения за-
щитной аппаратуры, изrотовляемой для установок с aKКY
муляторными батареями.
А 8 С
+
ТА
ТL R
I t :
KV
Рис. 4.4. Структурная схема ком-
бииированноrо блока пнтания опе
ратнвным выпрямленным током
Рис. 4.5. Принципиальная схема
источника оперативноrо перемен-
Horo тока с использованием пред-
варительно заряженных конденса-
торов
Имеются, однако, и оrраничения по ero использованию.
К ним следует отнести следующие:
1) недостаточная мощность для питания катушек вклю-
чения электромаrнитных приводов (обычно осуществляет-
ся от выпрямительных блоков, питаемых от трансформа
торов собственных нужд подстанции) ;
2) невозможность использования для минимальных за-
щит напряжения, а также при отключении подстанции
с упрощенной схемой соединений со стороны высшеrо Ha
пряжения для управления о делителями в бестоковую
паузу;
3) необходимость отдельных сердечников ТА, коrда
требуется большая отдаваемая ими мощность;
4) необходимость тщательноrо анализа условий рабо-
ты сети, питающей подстанцию, и ее схемы эл!ктрических
соединений, с тем чтобы принять меры к исключению слу-
чаев, при которых будет нарушаться нормальное питание
оперативным током [49].
Схемы с блоками питания выпрямленным током широ
ко применяются на понижающих подстанциях с UHOM
188
189
::::;;;35 кВ, а также на подстанциях с U НОМ == 110....;-.-220 кВ
с упрощенными схемами электрических соединений со
стороны высшеrо напряжения (не имеющих выключате
лей на этом напряжении). Некоторые из перечисленных
недостатков MorYT быть устранены при одновременном ис
пользовании энерrии предварительно заряжаемых KOH
денсаторов. "
Следует отметить, что принципы, заложенные в БПТ,
применяются также для лоrических реле (времени, про
межуточных) , работающих на оперативном токе, Получае
мом от Т А (например, для схем с дешунтированием).
Схемы с предварительно заряженными KOHдeHcaTopa
ми. Возможная структурная схема источника питания от
предварительно заряженных конденсаторов приведена на
рис. 4.5. ОНа СОСтоит из зарядноrо устройства (УЗ), услов
но показанноrо на схеме промежуточным трансформато
ром TL, и блока конденсаторов С, заряжаемоrо через
выпрямитель VD. ДЛЯ предотвращения разряда KOHдeHca
торов С через обратное Сопротивление выпрямителя VD
блок конденсаторов автоматически отсоединяется от за
рядноro устройства замыкающим контактом минимально
ro реле напряжения KV при значительном понижении BЫ
ходноrо напряжения УЗ. Запасаемая в конденсаторах
энерrия W==0,5 СU2, rде И выпрямленное напряжение
(обычно 380 400 В). Основным достоинством рассматри
BaeMoro ИСТОЧНИКа питания является ВОЗможность отклю
чения выключателей с любыми тяжелыми приводами,
а также возможность проведения оперативных операций
на подстанции, потерявшей питание (например, отключе
ние отделителей в бестоковую паузу). Принципиальный
недостаток импульсность действия определяется бы
стрым разрядом блока конденсаторов на включаемую Ha
rрузку. С учетом этоrо каждый элемент, потребляющий
энерrию, при общем зарядном устройстве должен присое
диняться к отдельному блоку конденсаторов, которые раз
деляются диодами или контактными устройствами. Обыч
но предпочтение отдается первому способу.
Наиболее простым зарядным устройством являются
TV или трансформатор собственных нужд установки, по
дающие питание на заряд через промежуточные Т L. Они
ПОзволяют осуществлять заряд в нормальном рабочем pe
жиме. Однако такой способ заряда может не обеспечивать
действия защиты при КЗ на установке, бывшей до этоrо
полностью обесточенной. Поэтому в свое время fорэнерrо
190
(А. А. Воскресенский) было предложено заряжать кон-
денсаторы и от Т А, через которые в указанном случае
должен проходить ток КЗ. С учетом этоrо в настоящее
время в качестве зарядных устройств часто используются
комбинированные блоки питания, включающие БПТ и
БПН. Эти комбинированные блоки иноrда используются
как для питания устройств защиты, так и для заряда KOH
денсаторных батарей.
Как указывалось выше, конденсаторные блоки пита
Ния неприrодны или мало приrодны для opraHoB защиты,
работающих со значительным замедлением. Поэтому oc
новной областью их применения является питание цепей
отключения выключателей и отделителей.
Схемы с реле прямоrо действия. Защиты с реле прямо-
ro действия также MorYT быть условно отнесены к рабо-
тающим на оперативном переменном токе. Простота и aB
тономность защит с реле прямоrо действия обусловлива-
ют продолжающееся их использование для осуществле
ния, например, токовых защит, если их параметры и по
трешности явлЯются приемлемыми.
4.4. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОro ТОКА ЗАЩИТ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВУЮ (ИНТЕrРАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ)
ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ
Устройства релейной защиты, использующие инте
rральную микроэлектронику (ИМЭ) ,требуют источников
питания с постоянным напряжением нескольких уровней
и высокой степенью ero стабилизации, особенно для изме
рительных opraHoB. Так, например, для широко применяе
мых в настоящее время операционных усилителей (ОУ)
требуется напряжение ::1::: 15 В, лоrические интеrральные
микросхемы (ИМС) выпускаются на напряжение питания
+5, +9, +15 В.
В качестве источников питания с такими напряжения
ми наибольшее распространение получили полупроводни
ковые преобразователи постоянноrо напряжения 110
220 В в постоянные напряжения необходимых уровней.
Входное напряжение 110 220 В с помощью транзистор
ных инверторов преобразуется в переменное напряжение;
последнее обратно преобразуется в постоянные напряже-
ния, которые сrлаживаются стабилизаторами напряже
ния. Рассмотренные преобразователи часто обеспечивают
питание защиты или комплекта защит присоединения.
191
На электроустановках с централизованным источни
ком оперативноrо тока аккумуляторной батареей рас
сматриваемые полупроводниковые преобразователи, обыч
но являющиеся частью комплектной защиты, питаются от
сети постоянноrо тока 110 220 В. Необходимо подчерк
нуть, что в отличие от электромеханических защит полу
проводниковые являются постоянными (в том числе и
в нормальных режимах работьi') потребителями энерrии,
в целом на мощных электроустановках значительной.
В связи с этим рассматривался и вариант питания отдель
ных комплектов полупроводниковых защит не по сети по
стоянноrо тока 110 220 В, а по сети переменноrо тока
380 В с соответствующими преобразователями по концам
для уменьшения потерь в сети. Однако он применения не
получил.
Преобразователи на установках с переменным опера
тивным током MorYT получать питание и от комбиниро
ванных блоков питания (сочетания БПТ.и БПН). Выпрям
ленное напряжение этих блоков может использоваться в
соответствии с рассмотренными выше условиями. При
этом особое внимание уделяется сrлаживанию выпрЯМ.1ен
Horo напряжения.
Вопросы для самопроверки
1. Какие источники оперативноrо тока применяются
для релейной защиты, их особенности?
2. На каких электроустановках преимущественно ис
пользуется оперативный постоянный ток?
rлава пятая
ТОКОВЫЕ И ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
5.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ПО ТОКОВЫМ И ТОКОВЫМ
НАПРАВЛЕННЫМ ЗАЩИТАМ
4.5. УПРАВЛЕНИЕ ПРИВОДАМИ ОТКЛЮЧЕНИЯ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Существует, как известно, большое число разных при
водов выключателей (см., например, [47]). Все они име
ют, однако, электромаrниты отключения. Время отключе
ния КЗ складывается из времен срабатывания защиты и
выключателей. В последнее существенной частью входит
время работы электромаrнита отключения. Поэтому для
быстродействующих защит линий сверхвысоких и ультра
высоких напряжений кроме сиrналов, подаваемых BЫXOД
ными орrанами защиты непосредственно на электромаrни
ты отключения, начали предусматривать управление ими
с помощью тиристоров, на которые подаются сиrналы cpa
ботавшей защиты. Это дает возможность уменьшить Bpe
мя отключения КЗ на несколько десятков миллисекунд, что
может быть достаточно существенно. Возможный вариант
TaKoro управления, разработанный в ЭСП (Е. В. Лысен
ко), рассмотрен в [48].
Токовыми называются защиты с относительной селек
тивностью, реаrирующие на ток, проходящий по защищае-
мому элементу. Токовыми направленными называются
защиты также с относительной селективностью, реаrирую
щие на ток и направление (знак) мощности КЗ в месте их
включения. Таким образом, вторая защита отличается от
первой наличием дополнительноrо ИО, называемоrо opra-
ном направления мощности (ОНМ). Токовые защиты MO
rYT использоваться на любых элементах электроэнерrети
ческих систем (линиях, двиrателях, трансформаторах и
т. д.), токовые направленные на линиях, трансформато
рах и в друrих случаях. В некоторых случаях, например
на линиях, обе разновидности защит применяются OДHO
временно, но на разных сторонах защищаемоrо элемента.
В данной rлаве рассматривается их работа применитель-
но к защитам линий.
Защиты MorYT срабатывать при превышении током в
месте их включения заранее установленноrо значения
(максимальные защиты). В общем случае они выполняют-
ся со ступенчатыми, плавными (зависимыми) или комби
нированными характеристиками выдерЖКИ времени t==
==1(1), rде 1 расстояние от места включения защиты до
точки возникновения КЗ. Для сетей с UHOM 35-7-110 кВ
защиты обычно имеют ступенчатые характеристики t==
==1(1), для сетей более низких напряжений часто исполь-
зуются друrие характеристики, создаваемые специальным
выполнением opraHa тока. При UHOM 35 кВ для ИО тока
используются полные токи в двух фазах (для обеспечения
отключения при Ki 1) по возможности только одноrо Me
192
'3 855
193
ста повреждения). В сетях с и ном ):;110 кВ защиты пре
имущественно предназначаются для ликвидации только
КЗ на землю (К(!) и К(1,!)) и выполняются как защиты HY
левой последовательности; для них требуются Т А в трех
фазах, которые включаются так, чтобы иметь ток в ИО
lр=== 3/ 0' Используются иноrда схемы с включением ИО на
друrие симметричные составляющие, а также с дополни
тельными ИО напряжения,
Типичными являются защиты со ступенчатыми xapaK
теристиками t===f(l). ТОКОМ срабатывания защиты или ее
отдельных ступеней I с ,з обычно называется минимальный
ток в фазах линии, при котором защита (ее ступень) MO
жет срабатывать. Уточнение этоrо определения дано в
Э 5.2. Лоrическое уравнение, характеризующее работу
трехступенчатых тоКовых ненаправленных защит (см.
, 1) 1 D tI I II tII I IlI tIlI
rл. , имеет вид у===l с ,з t + с, 3D, + с,зD, , для TOKO I
51 ! D tI , 51 !! D t!! I 5I Ш D t!!
вых направленных защит у=== с,з, Т с,3' Т с,3 ,
или П р и об щ ем ОНМ У ==5 ( 1 ' DtI +/ !!DtII +/ IlI D tш ) Д U
с,3 t с,3 t с,з t . еи
ствие токовой защиты рассматривается в первую очередь на
примере ее применения для радиальной сети с OДHOCTOpOH
ним питанием (рис. 5.1, а). Устройства защиты включают
ся только со стороны питания всех элементов и MorYT
действовать на отключение Своих выключателей. Пример
ные характеристики выдержек времени защит 1/, 2/ и 3/
даны на рис. 5.1, б. Действие токовой направленной защи
ты в первую очередь рассматривается на примере ее при
менения для цепочки одиночных иний с двусторонним
питанием (рис. 5.2). Защиты 1 б, как и выключатели,
должны включаться с обеих сторон участков, связываю
щих подстанции А и Т, имеющие источники питания. Пер
вые две ступени необходимы для защиты всей длины
участка, третья для резервирования отключения КЗ на
смежных участках и в зонах действия первых двух ступе
А
Б
в
r
Рис. 5.2. Цепочка тrннй с двусторонним питанием
в
ней. Действие II и III ступеней защиты как резервных для
cBoero участка отмечено на рис. 5.1, б пунктиром. OpraHbI
направления мощности MorYT требоваться, как будет pac
смотрено ниже, только у части ступеней. Основными пара
метрами защит, требующими определения, являются токи
срабатывания Iс,з и выдержки времени отдельных ступе
ней. Ниже они определяются для токовых защит и уточня:
ются для направленных, Определяются также заЩИщае-
мые зоны и коэффициенты чувствительности отдельных
ступеней. Рассмотрение. оказывается целесообразным на-
чинать с последних (третьих) ступеней, в частности пото
му, что они часто используются отдельно в качестве ca
мостоятельных защит. При включении на полные токи фаз
они называются максимальными токовыми защитами, а
при дополнении их орrанами направления мощности
максимаЛЬНЫми ТОКОВЫМи направленными защитами.
CL)
5.2. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
Лоrическое уравнение, характеризующее работу защи
ты, у===Iс,зD!. Током срабатывания защиты I с ,з обычно на-
зывается минимальный ток в фазах линии, при котором
защита может срабатывать. ТОКОМ срабатывания НО TO
ка Ic,p называется минимальный ток в ИО, при котором он
срабатывает. При обычно применяемых opraHax тока, пи
Рис. 5.1. Размещение токовых защит со ступенчатыми выдержками вре-
мени в радиальной сети с односторонним питанием (а) и при мерный
выбор их характеристик Выдержек времени (6)
194
13*
195
таемых от вторичных обмоток Т А с коэффициентом TpaHC
формации К/НОМ, эти токи различны вследствие Toro, что
К/НОМ =1= 1, и вследствие возможноro неравенства 1 р и тока
12 в ТА. Так, например, при включении на разность токов
двух фаз в симметричном режиме 1 3)===V31 3)(CM. rл. 3).
В общем случае отличие l р от 12 характеризуется коэффи
циентом схемы в m M режиме k ) ===1 т) /I m). С учетом CKa
l (т) К l (т) (т) П (т)
занноrо с,з /ном с.р jkcx. оэтому если lс.р не зависит
от вида повреждения (например, opraH с одной воздейст-
вующей величиной 1 р), то 1 ) может от вида повреждения
зависеть.
Током возврата защиты lв.з называется максимальный
ток в фазах линии, при котором защита возвращается в
исходное состояние, а током возврата НО тока l в р MaK
симальный ток в ИО, при котором он возвращае;ся в ис-
ходное состояние.
Коэффициент возврата ИО тока kв lв.р/1с.р lв.з/1с.з.
OpraHbl тока максимальные, и для них k B < 1.
В настоящее время opraHbl тока иноrда выполняются
односистемными с переключением подводимых воздейст-
вующих величин токов фаз с помощью максиселекторов,
операционных усилителей и т. д. (см. rл. 3), обеспечиваю
щих реаrирование единственноrо opraHa тока на больший
из токов, подводимых к нему от ТА. ДЛЯ этоrо случая под
l с ,з должен пониматься не минимальный, а максимальный
из токов фаз, используемых для защиты, но в режиме, со-
ответствующем минимальному уровню токов в защищае-
мой линии, при котором защита срабатывает. Ток lс.р Ta
Koro opraHa будет определяться этим lс.з с учетом Toro, что
kcx == 1. Соответственно уточняется и определение для 1 В,3.
Выдержки времени защит. Они выбираются по ступен
чатому принципу, соrласно которому должны быть боль-
ше максимальной выдержки времени предыдущих защит
на ступень М (см. rл. 1) при отсутствии УРОВ (устройст
ва резервирования при отказе выключателя предыдущеrо
элемента, rл. 15) или на дt+t уРОВ при наличии последнеrо.
Необходимо отметить, что УРа В в распределительных
сетях с максимальной токовой защитой обычно не приме
няется.
Выбор выдержек времени всеrда должен начинаться
с защит элементов сети, наиболее удаленных от источника
питания, т. е. с защит l' и 1" на подстанции В (рис. 5.3).
В общем случае эти защиты уже имеют выдержки време-
196
ни t; и { , . обеспечивающие их селективность несрабаты-
вания при КЗ в пита,емых от подстанции В потребителях.
Выдержка времени t2 последующей защиты (на подстан
ДИИ В) выбирается больше максимальной выдержки вре-
мени защит подстанции В. Если, например, t;.>t , то t; >
>t . Аналоrично, если t;>t;, то выдержка времени защи-
ты 3 на подстанции А t з >t;. В общем случае для п й за
щиты соответственно при отсутствии или наличии УРОВ
на предыдущей подстанции
' п == t(n l)maX + м или t n == t(n l)maX + м + t(n I)YPOB' (5.1)
ТОК срабатывания. Он всеrда должен быть больше мак-
симальноrо рабочеrо тока в защищаемой линии. Однако,
как правило, lс.з определяется более тяжелыми условиями.
ИХ может быть несколько. Для определения lс.з, напри-
Рис. 5.3. Соrласование независимых характеристик выдержек времени
последних ступеней токовых защит
мер, защиты 3 (рис. 5.3) рассматривается ее поведение
в двух, часто основных случаях [10]: при КЗ на одном из
элементов питаемых от подстанции В, и при К3 на дaH
ном участ е АВ, ero отключении и последующем АПВ.
В первом случае своей защитой отключается повреж
денный элемент подстанции В. Защита 3, находящаяся под
воздействием тока l (рис. 5.4, а) и имеющая выдержку
времени t з >t 2 , срабатывать не успевает и должна возвра-
титься в исходное состояние. Это, однако, произойдет, толь-
ко если ее ток возврата l в ,з в рассматриваемом уже сим-
метричном режиме будет больше расчетноrо тока запуска
J , проходящеrо по участку АВ к оставшимся в работе эле-
ментам подстанции В (см. рис. 5.3). Принимая с запасом
197
J;,расч J:тах (см. рис. 5.4, а), получаем условие возврата:
J в ,з>J;тах.
При о ределении /эmах обычно предполаrается, что OT
ключенныи элемент подстанции Б Mor передавать относи
тельно малую мощность, а электродвиrатели друrих ее
элементов в результате сниж.ения напряжения при К3
сильно затормозились и ток в них при восстановлении Ha
пряжения (после отключения К3) временно увеличился
(процесс самозапуска) . Поэтому 1: тах часто оказывается
значительно бол,ЬШИМ 1 Раб тах в линии АБ. Вводя коэффи
циент запуска k3 > 1, учитывающий как токи запуска, так
и отключение наrрузки поврежденноrо элемента подстан
ции Б, получаем 1 ;max==k; 1 Ра бmах. Неточность расчета
и друrие, факторы учитываются коэффициентом OT
СТРО,йки, k oтc > 1. С учетом изложенноrо получаем 1 в . з ==
==kотсkэ/раб тах. Отношение 1 в ,з/1 с ,з равно k B . Поэтому
1 с ,з >- k TC k; 1рабта/kв, (5.2)
Во втором , лучае после отключения Поврежденноrо уча
. стка АБ ток 1 к в защите 3 исчезает (рис. 5.4, б) и она воз
вращается в исходное состояние. после успешноrо АПВ
участк АБ в защите 3 появляется ток запуска 1 , опреде
ляемыи остаВШИМl!,СЯ включенными элементами подстан
ции Б. Выраж я 13 через 1 Раб тах линии АБ и коэффици
ент запуска k з , получаем выражение для отстройки от
Hero:
1 ';:;k П k П 1
С,3 / ОТС 3 рабтах'
(5.з)
ffi
I pao тах
а)
[С,з
11 .
[з тах
Третьим условием является соrласование по чувстви
тельности (по токам срабатывания). По нему каждая по
<следующая защита должна иметь 1 с ,з б6льший, чем у пре
дыдущих. С учетом этоrо
1 "-.. k '" 1 ( 5 4 )
С,зп -::/ ОТС с,з(п l)тах' . .
Коэффициент отстройки k;TC> 1 должен, в частности,
учитывать, что полный ток 1 кп В п й защите будет больше
тока 1K(n 1) В (п I) й защите за счет ответвления ero ча
сти в неповрежденные элементы промежуточной подстан
ции. При несоблюдении TaKoro соrласования и, например,
К3 на (п 2) M элементе с отказом ero выключателя MO
жет излишне срабатывать защита п ro, а не (п 1 ) ro эле-
меНта [10].
Ток срабатывания защиты выбирается б6льшим из трех
nриведенных выражений. При этом учитывается ряд сооб-
ражений: 1) для первых защит в системе (защит непосреk
ственно токоприемников) должно учитываться только вто-
рое условие (5.3), относимое и к случа ВК !0чения TOKO
приемника в работу; 2) коэффициенты k3 и k3 MorYT быть
MHoro больше 1 (примерно до 2 5), причем k > k:;
3) третье условие (5.4) для защит радиальных сетей с oд
носторонним питанием (рис. 5.3) часто не является расчет
ным так как участки сети по мере приближения к источ
нику питания имеют все б6льшие 1 Раб тах (в' друrих
случаях, рассмотренных ниже, оно, однако, может быть
определяющим); рассмотренные условия MorYT быть более
тяжелыми, если на линиях, как часто бывает в распредели
тельных сетях, имеются ответвления с наrрузками, а также
если учитывать броски токов намаrничивания понижаю-
щих трансформаторов. MorYT быть и некоторые друrие
расчетные режимы, например автоматическое подключе-
ние к шинам Б (рис.5.3) друrих потребителей, лишивших
ся питания. Поэтому коэффициенты отстройки k TC' k TC
И k TC выбираются с учетом конкретных имеющихся yc
ловий.
Чувствительность. Она характеризуется коэффициентом
чувствительности k ч , определяемым (см. rл. 1) при пере
ходном сопротивлении в месте повреждения Rп==О по BЫ
ражениям k ч ==1 кт{п(Rп о)!J r::.) или kч==/ртiп (Rп о)!1с,р. Для
исполнений, при которых k ,:) == 1, оба выражения одина
199
1
1
Время про,
хождения ["
t [рао тах t
Время про "Бестоко8ая
б) хождения J пауза при..
АПЕ
Рис. 5.4. ТОКИ в защите:
а при виешием кз; б при виутреинем кз и АПВ
198
Рис. 5.5. Соrласование плав
но-зависимых характеристик
выдержек времеии токовых
защит
и значений токов к.з. По мере приближения места к.з
к источнику питания I K увеличиваются, а время срабаты-
вания защиты снижается. При больших кратностях ТОКОН
внешних к.з получение необходимоrо дt может оказатьсн
затруднительным. Это исключается при использовании ор-
raHoB с оrраниченно-зависимыми характеристиками. Одна-
ко при этом начинает теряться указанное выше преимуще-
ство снижение времени отключения к.з, близких к месту
включения защиты.
Оценка и области применения защиты. Основным Прl -
имуществом защиты является ее простота, особенно при
использовании реле тока с оrраниченно-зависимыми хараы-
теристиками, работающими на оперативном переменном
токе. Она широко применяется в распределительных сетях
с UHOM ;;1 кВ И для защиты токоприемников (например,
двиrателеи). Для последних она выполняется без выдер:ж-
ки времени. В сетях она дополняется токовой отсечкой
(см. 5.5), часто встраиваемой в реле тока с выдержкоЙ
времени для ускорения отключения наиболее тяжелых дли
системы К:З, возникающих вблизи места включения защи-
ты. Максимальные токовые защиты являются также, ка}[
указывалось выше, последними (IП) ступенями защит со
ступенчатыми характеристиками выдержки времени. С та.
ким назначением они иноr да используются совместно с то.
ковыми направленными защитами и в сетях более сложноЙ
конфиrурации, иноrда даже с несколькими источникаМII
питания. Однако часто полной селективности при внешнил
КЗ они обеспечивать уже не MorYT.
ков о удобны; если k ),:;61, предпочтение отдается BTOpO
му выражению с учетом Toro, что в этом случае I l эави
сит от KOHKpeTHoro значения k ':) i
Для сравнительной оценки чувствительности данной
схемы включения opraHoB тока при различных видах К3
иноrда используется о!.носительный коэффицuентчувстви
телЬности [10]. Он определяе1'СЯ при искусственном преk
положении равенства первичных токов при всех учитывае-
мых видах К:З. При т-м их виде он определяется по вы-
Р ажению k k(т)/k(З) I (т) /I (З) k (т) /k (3) е / (т)
Ч,ОТН ч q р р сх сх, [д р
1 (3)
и Р токи в opraHe тока соответственно при данном ви-
де К:З и при К(З) в предположении одинаковых значений
1 k (т) k (3)
первичных к, а сх и сх соответствующие им коэффи-
к: k (т) k (3) k
циенты схемы. or да сх сх' Ч,ОТН === 1. Считается не-
обходимым иметь k Ч тin;:::::2 при повреждении в конце за-
щищаемоrо участка и k Ч тin;::::: 1,25 при повреждении в кон-
це смежноrо элемента.
Особенности выполнения защиты с зависимыми xapaK
теристиками выдержки времени. Применительно к плавно-
зависимым характеристикам t==f (l) n-я защита участка
АЕ (рис. 5.5) должна иметь выдержку времени t n по вы-
t (.-I)та,
5.3. МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
Лоrическое уравнение, характеризующее работу защи-
ты, у===Slс,зDi.
Выдержки времени. Они выбираются соrласно встреч-
но-ступенчатому принципу, по которому все защиты цепоч-
ки линий (рис. 5.6, а) разделяются по направленности дей.
ствия на две rруппы (защиты 2, 4, 6 и 5,3, 1), в каждой и:!
которых выдержки времени устанавливаются уже, кю,
у ненаправленных защит, по ступенчатому принципу по вы.
ражениям (5.1). На рис. 5.6, б приведены выдерЖКИ вре..
мени, выбранные по рассматриваемому принципу. К:ак вид.
но, К:З в любом месте правильно ликвидируется защитами
двух сторон только поврежденноrо участка; так, например,
при К:З на участке ЕВ срабатывают только защиты 3 и 4.
ражению (5.1), например, на ступень М больше времени
t(n l)тax предыдущей (п 1) -й защиты при к.з в расчетной
точке в начале следующеrо элемента за ТА ero защиты
при максимально возможном TOIfe I .BH' По найденному
t расч , соответствующему Iр==kсхIк.ВН/КIном, однозначно по
обычно имеющемуся семейству характеристик t== f (I р) ис
ПОJJьзуемоrо opraHa тока выбирают характеристику п-й
,защиты и получают выдержки времени для друrих мест
(200
'
201
Необходимость в opraHax направления мощности. При
выбранных указанным способом выдержках времени не
все защиты сети должны иметь ОНМ. Рассмотрение пока
зывает, что для приведенноrо на рис. 5.6 KOHKpeTHoro слу
чая защита 6 может не иметь ОНМ, так как ее t 6 больше
времен срабатывания друrих защит присоединений под
станции r. По той же причине MorYT не иметь ОНМ защи
та 1 (tl>tA, t 1 >t 2 ), а также з'ащиты 3 и 4 (tз==t 4 ). Таким
образом, на каждом участке сети обязательно должна
иметь ОНМ только одна защита с меньшей выдержкой
времени. При одинаковых временах обе защиты MorYT быть
ненаправленными. Это положение формулируется и так:
Рис. 5.6. Защищаемая сеть (а) и
характеристики выдержек време-
ни токовых направленных защит
(6)
правильно сработать при направлении Sи к шинам. Коrда
это условие является расчетным, для повышения чувстви-
тельности защиты иноrда допускается учитывать не
1 Раб тах, а 1 раб ,норм, принимая во внимание малую вероят-
ность нарушения цепей напряжения при наличии 1 Раб тах.
Более тяжелыми обычно являются условия, подобные pac
смотренным выше для ненаправленных защит: 1) отстрой
ка от переходных токов после отключения внешних К3 по
(5.2), rде 1 Раб тах максимальный рабочий ток в защите
определяемый при наличии ОНМ мощностью Sи тах, KOTO
рая может быть направлена от шин. В отличие от рассмот-
peHHoro выше при этом не учитывается, как мало вероятное
событие, uналожение на рассматриваемый режим наруше-
ния цепеи напряжения ОНМ; 2) отстройка от переходных
токов после успешноr? АПВ повредившейся линии по (5.3)
с учетом соображении, приведенных для предыдущеrо слу
чая; 3) соrласование 1 с ,з смежных участков. Оно должно
проводиться для защит, имеющих возможность срабаты
вать при одинаковом направлении SK.
Дополнительным условием является отстройка от токов
неповрежденных фаз. При некоторых видах К3 нап р име р
К(1) K (I,I) ,
'1' , токи неповрежденных фаз, складывающиеся из
раб И токов повреждения в этих фазах, бывают большими
(см. r л. 1). OpraHbl направления мощности, включенные на
эти токи, MorYT неправильно фиксировать знак мощности
К3 [11, поэтому было бы необходимо име ть 1 >1 .
С,З неповр тах,
это может сильно заrрублять защиту. В связи с изложен
IM в сетях с rлухозаземленными нейтралями (UHOM
:?,110 кВ) такая защита часто автоматически, при появле
нии составляющих 10 в токах фаз ВЫВОдится из работы
Защит от К(1) и K(1, ) осуществля тся тоrда специальноЙ
токовои направленнои защитой нулевой последовательно-
сти (см. Э 5.9).
Ток 1 с ,з выбирается по тому из условий, перечисленных
выше, которое определяет большее ero значение.
u Чувствительность. Чувствительность последних ступе-
неи защит определяется их ИО тока и направления мощ-
ности. Чувствительность по току вычисляется, как и для
ненаправленных защит. Необходимость проверки чувстви-
тельности по ОНМ возникает при близких металлических
К (З) U (З)
, коrда р в пределе оказываются равными нулю.
В ЭТИХ условиях ОНМ MorYT отказывать в срабатывании
обусловливая и отказ з.ащиты. ,'''' '
Нечувствительность, обусловленную ОНМ, характеризу-
203
л
Б
в
r
ОНМ может не иметь n-я защита подстанции с tn>t всех
друrих защит подстанции. С учетом этоrо иноr да исполь-
зуется возможность за счет повышения t n иметь большее
число защит ненаправленными. Лоrическое уравнение, ха-
рактеризующее их работу, у==l с ,зD/. Следует, однако, от-
метить, что часто в таких защитах предусматривается
ОНМ, с тем чтобы при изменении уставок защит иметь
возможность сделать их в случае необходимости направ-
ленными.
Ток срабатывания. Ток срабатывания 1 с ,з выбирается
вне зависимости от направления прохождения через нее
(от шин или к шинам) мощности наrрузки Sи. Последняя,
как и мощность К3, обычно имеет активно-индуктивный
характер. Поэтому принципиально можно было бы иноrда
не учитывать токи 1 раб, определяемые Sи, направленной
к шинам. Принимается, однако, во внимание возможность
нарушений цепей напряжения от TV, например переrора-
ние части предохранителей в них, коrда ОНМ может не-
202
)
ют -мертвой зоной долей длины защищаемоrо участка,
в пределах которой при металлическом ЮЗ) происходит
отказ защиты из за недостаточноrо остаточноrо напряже
ния, подводимоrо к ОНМ. Мертвые зоны в воздушных ce
тях маловероятны; более вероятны они в кабельных сетях
при значительных выдержках времени срабатывания за
щиты вследствие возможноr6 перехода К(2) и К(1.!) В ЮЗ),
Устранение мертвых зон возможно применением ненаправ
ленных токовых отсечек. Более сложные решения вопроса,
используемые в дистанционных защитах (см. rл. 6), для
рассматриваемых защит обычно не применяются.
Пример применения максимальиых токовых направлеи
ных защит в сочетании с ненаправлениыми для кольцевой
сети с одиосторонним питанием (рис. 5.7). Выдержки вре-
мени выбираются обычным образом. Отличие имеется
только для защит 2 и 5 приемных сторон rоловных участ
ков АБ и АВ. При к.з вне кольца, например в точке К! pa
диальной линии, отходящей от шин А с источником пита
ния, ток повреждения (если пренебречь бросками токов,
определяемых электродвиrателями наrрузок подстанций
Б и В) по кольцу не проходит и защиты 2 и 5 на paCCMaT
риваемые к.з не реаrируют. При внешних к.з в пределах
кольца (например, на шинах Б и В), как и в рабочих ре-
жимах, МОЩность к.з направлена к шинам Б и В и ОНМ
защит 2 и 5 не срабатывают. Таким образом, рассматри
ваемые защиты при всех внешних к.з не работают и в свя
зи С этим всеrда выполняются без выдержки времени и не
дополняются 1 и 11 ступенями. В данной сети очень четко
проявляется необходимость соrласования защит по чувст
вительности (током срабатывания) при кqскадно-м.их дей
ствии. Под каскадным понимается срабатывание защит
двух сторон участка, коrда одна из них начинает работать
только после отключения друrой защитой cBoero выключа
теля. При повреждении, например, в начале участка АБ
у шин А (точка К2) практически весь ток к.з направляется
к точке К 2 через защиту 1. В результате защита 2 в Ha
чальный период к.з в действие не приходит. Первой cpa
ботает защита 1, хотя она и имеет одну из наибольших в
сети выдержек времени. Защита 2 сработает каскадна
только после отключения выключателя 1. При к.з в зоне
ero каскадноrо отключения может излишне сработать за
щита 4, если ее lс.з 4<lс.з 2. Поскольку соrласование сво-
дится к выбору l с ,з 4 C l с ,з 2, rде k TC > 1 учитывает в пер
вую очередь влияние на токи в фазах, особенно при
204
несимметричных к.з (например, Ю2», тока наrрузки про-
межуточной подстанции Б.
t
Рис. 5.7. Защита кольцевой се.
ти с одиосторонним питаиием
Рис. 5.8. Диаrрамма, характери-
зующая работу opraHa тока при
качаниях
Учет токов качаний. Изменение действующеrо значения
тока lp==k 3j l ур /К! в opraHe тока во времени при качаниях
в соответствии с данными rл. 1 приведено на рис. 5.8. Op
raH срабатывает при возрастании тока до l ==lс.р и воз
вращается в исхо ное состояние только при последующем
ero снижении до lp ==l в ,р. Таким образом, opraH (при пре
небрежении ero малыми собственными временами срабаты-
вания и возврата) находится при качаниях в сработавшем
состоянии в течение времени t p . OpraH направления мощ-
ности с учетом возможных больших изменений уrла срр при
качаниях может срабатывать. Отстройка от l р выбором co
ответствующеrо lс.з неприемлема, так как ее opraH тока
получился бы недопустимо rрубым. Поэтому для отстрой
ки учитывается только рассмотренное свойство opraHa тока
находиться в сработавшем состоянии в течение каждоrо
периода качаний лишь относительно небольшое время t p
и то, что время срабатывания защит во мноrих режимах
качаний t с . з >t р .
При качаннях возможны не только ложные срабатыва
ния защит, но и их отказы при к.з в защищаемой зоне.
Так, на ример, при возникновении на. тупиковой линии, 01'-
ходящеи от шин подстанции Б (точка К на рис. 5.9), по
вреждения, обусловившеrо качания источников питания А
и Б, ток в месте к.з будет пульсировать с частотой перио-
2О5
да качаний. При значительной выдержке вр мени tс,з TO
ковой защиты тупиковой линии, соизмеримо и с периодом
качаний или большей ero, и при /к тin<Iв,з она не сможет
сработать. Для предотвращения подобнь!х отказов и вооб
ще возникновения значительных качании необходимо при
менение защит с возможно малыми временами срабатыва
ния.
Оценка и область примепения защиты. Максимальные
токовые направленные защиты обычно в сочетании с HeHa
правленными обеспечивают селективность несрабатывания
в рассмотренной сети, состоящей из цепочки одиночных ли
ний С двусторонним пита
нием, и в простой кольце
вой сети с односторонним
питанием. Нетрудно по
казать, что эта селектив
ность может быть также
обеспечена в сетях в виде
цепочек одиночных линий
с любым числом источни
ков питания (рис. 5.10, а
и б) и в кольцевой сети с
диаrональными линиями,
соединяющими источник
питания с друrими ПОk
станциями (рис. 5.10, в).
В кольцевых сетях с чис
лом источников питания,
ббльшим одноrо (рис.
5.11,а), имеющих диа-
rональные линии, не проходящие через источник
питания (рис. 5.11, б), а также во мноrих друrих случаях
селективность несрабатывания не обеспечивается, так как
отсутствуют условия для выбора выдержек времени по
встречно-ступенчатому принципу.
Чувствительность защит для линий с двусторонним пи
танием при учете возможных аварийных переrрузок (Ha
пример, при отключении rенерирующей мощности в одной
из систем, связанных защищаемыми линиями) может быть
совершенно недостаточной. Приходится также иметь в ви
ду возможность излишних срабатываний при качаниях.
Лучше дело обстоит в сетях с одним источником питания,
в которых непредусмотренные аварийные переrрузки MorYT
А
Б
в
Момент
80знuкно8ени.я К3
t
Рис. 5.9. Диаrрамма, характеризую-
щая возможность отказа срабатыва-
ния защиты при качаниях
206
Рис. 5.10. Примеры схем сетей, в которых максимальная токовая Ha
правлеиная защита обеспечивает селективиое отключение К3
Рис. 5.11. Примеры схем сетей, в которых максимальная токовая иаправ-
леиная защита не обеспечивает селективиоrо отключения К3
и не появляться; в них также не возникает вопроса отстрой-
ки от качаний.
Значительно лучшие показатели имеют токовые направ
ленные защиты нулевой последовательности, рассматривае
мые ниже. Данные же защиты находят применение пре-
имущественно в кольцевых сетях с одной точкой питания
напряжением до 35 кВ в случае, если их выдержки BpeMe
ни оказываются доПустимыми.
207
5.4. ПЕРВЫЕ И ВТОРЫЕ СТУПЕНИ ТОКОВЫХ И ТОКОВЫХ
НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ, ВКЛЮЧАЕМЫХ НА ПОЛНЫЕ ТОКИ
И НАПРЯЖЕНИЯ ФАЗ
Первые и вторые ступени токовых и токовых направлен
ных защит в общем случае, как подчеркивалось ВЫШе, не
используются отдельно, без третьей ступени, необходимой
для обеспечения резервирования действия защит смежных
элементов и при отказах выключателей последних, а TaK
же резервирования работы первых и вторых ступеней. Oд
нако они являются весьма эффективной частью ступенча
тых защит, обеспечивая более быстрое отключение К3 на
защищаемом участке и достаточно высокую селективность
(при внешних К3) в сетях любой конфиrурации с любым
числом источников питания. Такие их свойства определя
ются своеобразным выбором токов срабатывания ступеней;
они, если расчетным не является случай отстройки от 1 ур
при качаниях, отстраиваются от максимальных токов внеш-
них К3 (для 1 ступени К3 в начале смежных элементов,
для II ступени К3 в расчетной точке этих смежных эле
ментов). В связи с этим в инженерной практике 1 и II CTY
лени называются токовыми отсечками. Направленными TO
ковые отсечки, как будет показано ниже, выполняются
только для повышения чувствительности. Лоrическое урав-
нение, характеризующее их работу, в общем случае имеет
1 t! п tII
вид y===S1 c .JJ, +S1 c .JJ, , . причем как у 1, так и II сту-
пени сиrнал S может отсутствовать (нет ОНМ), Dt! опре
деляет не выдержку времени t, в обычном понимании,
а часто только собственное время срабатывания 1 ступени,
D t'!
t характеризует выдержку времени t", обычно одина-
ковую для II ступеней всех защит сети.
5.5. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ЗАЩИТЫ,
ЕЕ ЗАЩИТОСПОСОБНОСТЬ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Выбор J .a зависит от Toro, может ли по защищаемому
участку сети при внешних (сквозных) К3 проходить ток
повреждения только в одном направлении или в обоих на-
правлениях, а в последнем случае дополнительно от TO
ro, является ступень направленной или нет. Ниже учиты
ваются все эти варианты. Время срабатывания t', как ука-
зывалось выше, является небольшим замедлением в
срабатывании защиты, которое может понадобиться толь-
208
ко для отстройки защиты от искусственных кратковремен-
ных К3, создаваемых трубчатыми разрядниками, устанав-
ливаемыми на воздушных линиях с Uнам 35...;--11О кВ без
молниезащитных тросов от атмосферных перенапряжений.
С учетом этоrо t! O,l с и может снижаться до O,Ol O,02 с.
Токовая защита (отсечка) линии, по которой при внеш-
них К3 ток повреждения может проходить в одном направ
лении. Это защита линий с односторонним питанием. Ра-
бота ее рассматривается на примере токовой защиты уча-
.стка АБ (рис. 5.12), устанавливаемой только со стороны
питания А. Ток ее срабатывания 1 .з для обеспечения се-
лективности несрабатывания при внешних К3 на элемен-
I K ,8H тах
l
Ic T
.,
Рис. 5.12. Выбор тока срабатывания и определение защищаемой зоны 1
ступени (отсечки) токовой защиты линии с односторонним питанием
тах, присоединенных к шинам приемной подстанции Б, вы-
бирается б6льшим максимальноrо тока, проходящеrо по
участку АБ при этих К3. Расчетная точка К физически
'расположена у шин Б за защитами присоединений. Ей co
ответствует 1 к . вн тах, имеющий в большинстве случаев Me
сто при металлическом (Rп===О)К(3).
Ток
11 == k 1 1 (5 5)
с,з атс к. витаХ' .
Ток 1 к . вн тах обычно соответствует действующему зна-
чению ero периодической слаrающей для времени t===O.
14 855
209
Коэффициент отстройки k TC> 1 выбирается возможно
1
меньшим с учетом Toro, что с увеличением 1 С,з может резко
сокращаться защищаемая зона [I (рис. 5.12). При опреде
1
лени и k OTC учитываются возможное влияние апериодиче
ской слаrающей в i K , неточность расчета lK, поrрешности
1
ТА и opraHa тока. Часто пр.инимается k OTC 1,271,3. За
щищаемая зона в режиме с l к ,вн тах [1(1) определяется абс
циссой точки пересечения кривой 1 lK===f([) с прямой 2,
соответствующей току l ,з, не зависящему от места КЗ.
Зона [!(l>, характеризующая защитоспособность, составля-
ет только часть длины линии АБ. Поэтому защита (отсеч-
ка) в общем случае не может быть основной защитой ли
нии. Кривая 3 lK===f(l) в режимах, отличных от paCCMOT
peHHoro, может располаrаться значительно ниже кривой 1
(друrой вид КЗ и т.п.). Соответствующая ей защищаемая
зона [1(3)</1(1); некоторых случаях она МО)i( ,!, б IТ!>3л.и
жаться до нуля. Д.iiЯ СС)IфаIIi,ения числа случаев работы
защиты с укороченными [! opraHbI тока включаются на ТА
так, чтобы kcx === 1. Эффективность срабатывания рассмат-
риваемой отсечки иноrда (коrда она выполняет только
функции вспомоrательной защиты) оценивается также ко-
эффициентом чувствительности k ч при повреждениях в на-
чале защищаемоrо участка.
В частных случаях рассматриваемая отсечка без вы-
держки времени может являться и основной защитой ли-
нии, например при работе последней в блоке с понижаю-
щим трансформатором, не имеющим выключателя со сто-
роны высшеrо напряжения (рис. 5.13). В этом случае
защите линии допустимо работать при повреждениях
1
в трансформа торе; поэтому ее 1 С,3 отстраивается от КЗ за
трансформатором. В результате обычно [I охватывает всю
длину линии и обеспечивается приемлемый k ч при повреж
дениях на ее конце. Для резервирования внешних КЗ за
щита в целом должна иметь III ступень.
Токовая защита (отсечка) линии, по которой при внеш
них К3 ток повреждения может проходить в обоих направ
лениях. Это, например, защиты цепочки линИй с двумя или
несколькими источниками питания или кольцевой сети с од-
ним источником питания. Работа защиты рассматривается
на примере ее использования для линии с двумя источни-
ками питания по ее концам (рис. 5.14). Отсечки включа
ются с двух сторон. ИХ одинаковые токи срабатывания
(1 .3A===I .aB) должны выбираться с учетом необходимо-
210
Рис. 5.13. Работа 1 сту-
пени (отсечки) токовой
защиты на линии, рабо-
тающей в блоке с транс-
форматором
к
,
,
...
l:. з r
I x ,8H mах
сти отстройки от токов КЗ lKB при повреждении в точке
КА у шин А, 1 А при повреждении в точке Кв у шин Б
и от уравнительноrо тока lyp в линии АБ, обусловленноrо
качаниями reHepaTopoB системы А и Б между собой или
даже их выходом из синхронизма (см. rл. 1). При этом
учитывается, что ток lYP I A !}BI! 1:, rде Z}; CYM-
марное эквивалентное сОпротивление системы B целом мо-
жет быть больше IK,BH тах, а срабатывание защит по; ero
А
6
I
'"
'"
....
....'"
11
q:
....
... ..,-
....
ZK,BHтaXA
lZ
Б(На.п р )
l.r
Б
Рис. 5.1!. Выбор токов срабатывания и определение защищаемых зон 1
ступенеи (отсечек) токовых защит линии с двуСТоронним питанием
14*
211
воздействием не допускается Таким образом, должны
быть выполнены условия 1 ,з>/кАтах; 1 ,з>/кБтах; I ,з >
>/ yp тах расч, максимальное значение KOToporo достиrается
при уrле между ЭДС А и Б примерно 180 Р ; ток I ,з выби-
рается по условию, дающему большее ero значение. За-
щищаемые зоны 11. и lk оuределяются так же (рис. 5.14),
как для paccMoTpeHHoro выше случая защиты линии с одно-
сторонним питанием. Наличие питания с двух сторон мо-
жет ухудшать защитоспособность одной из защит, ток!! I K
СО стороны которой меньше [на рис. 5.14 защиты Б, так
1
как ее ток I с ,з Б приходится отстраивать не от IK,BH тах Б,
а от 1 К,ВН та:<А, который больше (если расчетной не являет-
ся отстройка от 1 ур,расч) ].
Токовая направленная защита (отсечка) линии, по KO
торой при внешних К3 ток повреждения может проходить
в обоих направлениях. Работа защиты рассматривается
для той же схемы сети (рис. 5.14), что и для ненаправлен-
ной отсечки. Как было установлено, защита со стороны
с меньшими Iк(lкБ) может оказываться имеющей меньшую
защищаемую зону (lБ <lA). Последняя, если не приходит-
ся учитывать большие 1 ур, может быть увеличена ВЫПО.'Iне-
нием защиты с меньшим I K ВН нап р авленной так как в этом
1 ' ,
случае ее 1 с,э должен отстраиваться только от 1 К.ВН тах СО
стороны своей ПС (на рис. 5.14/ к ,внтахБ). .
5.6. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ВТОРОЙ СТУПЕНИ ЗАЩИТЫ,
ЕЕ ЗАЩИТОСПОСОБНОСТЬ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Основным назначением II ступени (отсечки с выдержкой
времени) является защита зоны lIl, в которую входят ко-
нец защищаемоrо участка (рис. 5.1,6) АБ и шины под-
станции Б. Дополнительно она резервирует 1 ступень. Для
предотвращения срабатывания в зонах, защищаемых пре-
дыдущими защитами, II ступени выполняются с выдерж-
ками времени t II . Для сокращения времени ликвидации КЗ
с t II предыдущие защиты должны выполняться работаю-
щими в начале смежных элементов без выдержки времени
(1 ступени защит линий, быстродействующие защиты на
трансформаторах подстанции Б), а t ll стремятся выби ать
одинаковыми для защит всех линий и равными t Il == t п l ===
==t n 1)тах+дt. Ступень дt принципиально имеет для t!1
212
несколько меньшее значение, чем для III ступеней, так как
практическ отсутствует поrрешность в выдержке времени
предыду еи защиты, не имеющей выдержки времени.
С друrои стороны, для сетей с UHoM 110 кВ часто прихо-
дится учитывать t yPOB , на которые (УРОВ) действуют пре-
дыдущие защиты. Поэтому t II часто составляет примерно
0,5 с (в сетях сверхвысоких напряжений меньше).
При рассмотренном способе выбора выдержек времени
(111 == t;1 == const) ток срабатывания III защиты линии
с, зп
С односторонним питанием для предотвращения ее сраба-
тывания во вторых зонах предыдущих аналоrичных защит
и при КЗ за трансформаторами приемной подстанции
(предполаrае ся, что КЗ за трансформаторами .'lиквидиру-
ются с tT tn) должен выбираться по двум У словиям'
/11 kII /1 II '-. II .
с,зn отс с,з{n l)тах И Iс,зn-:;::с kOTc/KTmax (без учета тока на-
rрузки). Ток срабатывания принимается б6льшим из
полученных значений. Длина 1 1 определяется как и дЛЯ
J1 ступени, абсциссой точки пересечения IK==f(l) с прямой
с,з : Для II ступени широко используется k l, определяе-'
мыи по КЗ. на шинах приемной подстанции. Ero допускает-
ся иметь относительно небольшим (примерно 1,25), по-
скольку II ступень резервируется более чувствительной III.
Если не обеспечивается требуемый k l, защиты выполня-
ются четырехступенчатыми или с друrим способом выбо-
ра ихпараметров (см. rл. 1).
В сетях более сложной конфиrурации или имеющих не-
сколько источников питания, рассмотренных выше для
1 ступени, II ступени обычно выполняются направленными
с обеих сторон участков; это делается для облеrчения вы-
бора их параметров, а при отсутствии больших I yp и для
возможноrо повышения чувствительности. Поэтому выбор
их парамет ов и оценка чувствительности проводятс как
и для линии с односторонним питанием. Основной особен-
ностью может являться целесообразность учета так назы-
ваемых подпиток, определяемых коэффициентом токорас-
пределен ия k TOK , под которым ниже понимается отношение
тока в защите к току в смежном с защищаемым участком
элементе. Рассматриваются два случая: первый (рис.
5.15, а) КЗ за понижающим трансформатором подстан-
ции Б в точке К!. При этом для защиты А k ToKT ===
===/ K AIl KT <l; второй (рис. 5.15,6) КЗ на смежном уча-
стке БВ при наличии на промежуточной подстанции Б так-
213
1
А
в
Рис. 5.15. Выбор токов срабатывання II ступеней токовых направлен-
ных защит
же источника питания. При этом для той же защиты А
kтокБ fкА!fкБ также меньше 1, если не учитывать воз.
можности отключения источника Б. С учетом изложенно-
ro ток срабатывания n-й защиты (А) должен удовлетво-
II '> IJ ( 1 f II 1,11
рять двум условиям: fс,зn<с/kотсkтокт кТ)тах И c,3n TCX
Х (kтокБf ,3(n 1») тах, При k TOK < 1 ток f зn может, таким об-
разом, уменьшаться, а kJI увеличиваться по сравнению со
случаем отсутствия подпитки, Необходимо отметить, что
в сетях друrой конфиrурации, например при наличии на
смежном участке двух параллельных цепей, kтокБ будет
II k IJ
больше 1, f с,зА будет увеличиваться, а ч уменьшаться,
Впервые в практике выбора параметров II ступеней k TOK
был введен СРЗиУ ТЭП в начале 30-х rодов (А. Б, Бар-
зам) применительно к дистанционным защитам.
5,7. ВВЕДЕНИЕ В ТОКОВЫЕ И ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ
ЗАЩИТЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ opr АНОВ НАПРЯЖЕНИЯ
К:омбинированные отсечки по току и напряжению
(с минимальными реле напряжения) были разработаны
СРЗиУ ТЭП (А. [. [еворков и др. [1]) в начале 30-х rодов.
Они обычно представляют II, а иноrда и 1 ступени защит от
мноrофазных К:З, селективность которых при повреждени-
ях вне защищаемой зоны достиrается комбинированной
отстройкой по току и напряжению (для 11 ступени и по вре-
214
мени срабатывания). Они успешно применялись, например,
для более эффективной отс'тройки от К:З за трансформато-
рами. Для обеспечения селективности при внешних К:З и с ,з
и f с ,з требуют особоrо между собой соrласования. Схемы
с рассматриваемыми орrанами относительно сложны. По-
этому в настоящее время при необходимости обычно отда-
ется предпочтение более эффективным opraHaM сопротив-
ления (см, rл. 6), выполняемым, например, на микроэлек-
тронной элементной базе.
Применение дополнительных opraHoB напряжения для
последних ступеней (максимальных токовых защит) впер-
вые было реализовано по предложению СРЗиУ ТЭП
Рис. 5.16. Прюн:р защит сети дття
которых нецелесообразен КОVIби
нированный пуск по 1 р и U р
А ...!..JJpao таJl
(. } наZРУЗХQ
К 2 cZ2 J5Z1
(Л. Е, Соловьев) в середине 30-х rодов для защиты reHe-
раторов от внешних К:З. Там их применение (также и для
защиты повышающих трансформаторов), как на послед-
них элементах системы, оказалось оправданным и обеспе-
чило возможность выбора /с,3 по условию отстройки толь.
ко от f пом (например, от /НОМ,С reHepaTopoB, максимальный
рабочий ток которых кратковременно может достиrать зна-
чений 1,5 2 номинальноrо тока /иом,r). В последующие
rоды релеищиками Мосэнерrо указанный opraH начал осу-
ществляться более эффективно с применением двух реле
напряжения: одноrо минимальноrо (вместо трех), друrо-
ro максимальноrо обратной последовательности. На
линиях, нап имер в распределительной сети (рис. 5,16),
та ая отстроика от f Раб может оказываться затруднитель-
нои, так как при К:З на одном из присоединений напряже-
ние будет одинаково изменяться на всех присоединениях,
а ток внеповрежденных присоединениях нап р име р П р и
К (2) б ' '
, может ыть заметно большим даже их f Раб тах в свя-
зи с тем, что сопротивление обратной последовательности
двиrателей наrрузки меньше их сопротивления прямой по-
следовательности (см, rл.l).
215
5.8. ОБЩАЯ ОЦЕНКА ТОКОВЫХ И ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ
ЗАЩИТ, ВКЛЮЧАЕМЫХ НА ПОЛНЫЕ ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ ФАЗ
Сочетание рассмотренных ступенчатых токовых и TOKO
вых направленных защит принципиально дает возможность
защищать от мноrофазных КЗ сеть любой конфиrурации
с любым числом источников; питания. Однако практическ
они с учетом общих предъявляемых к защитам требо ании
(см. rл. 1) часто имеют ряд существенных недостатков:
1) защитоспособности и коэффициенты чувствительности!
и II ступеней существенно зависят от режимов работы сетеи
и некоторых друrих факторов и поэтому в ряде случаев
оказываются неудовлетворительными; 2) последние (IП)
ступени для мноrих видов сетей не MorYT обеспечивать He
обходимой чувствительности и селективности несрабаты
вания; необходимо, однако, отметить, что селективность He
срабатывания последних ступеней пр нципиально присуща
и друrим видам защит с относительнои селективностью, дa
же дистанционным (см. rл. 6).
С учетом этоrо токовые и токовые направленные защи
ты как защиты от мноrофазных КЗ преимущественно ис
пользуются в распределительных сетях с одним источником
питания при и ном ::;;;35 кВ, иноrда при 110 кВ, например
с приемных сторон rоловных участков кольцевой сети, Kor-
да защиты MorYT быть выполнены без выдержки времени.
Значительно лучшие показатели имеют токовые и ТОКОВЬН:
направленные защиты нулевой последовательности, pac
сматриваемые ниже.
5.9. ТОКОВЫЕ И ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СЕТЕЙ С rЛУХОЗАЗЕМЛЕННЫМИ
НЕЙТР АЛЯМИ
Токовыми и токовыми направленными нулевой после
довательности называются защиты, цепи TOK opraHoB KO
торых включаются на составляющие нулевои послед ( ова
тельности 10 (обычно 3!0) , а цепи напряжения дЛЯ
ОНМ) II составляющие!!о (3 0) соответственно фаз
ных токов и напряжений. Включение защит на составляю
щие нулевой последовательности обеспечивает ряд пре
И м ущ еств по С р авнению с рассмотренными выше вариан )
u K (l) и K(l,l
тами защит, использующими для деиствия при
полные токи и напряжения фаз. Основными из них явля
ются: независимость работы от рабочих токов, в которых
216
состаВ.lяющие o отсутствуют, что дает возможность вы-
ПОЛНять последние ступени защит весьма чувствительными;
более резкий спад ТОКОВ!о вдоль защищаемой линии при
К(1) и K(I,1), так как удельные Zол больше ZIЛ, что улучшает
защитоспособность 1 и П ступеней защит; уменьшение YPOB
ня выдержек времени Последних ступеней защит, особен
но при разделении сетей смежных напряжений в системе
(например, 110 и 35 кВ) трансформаторами; отсутствие
мертвых зон у ОНМ, поскольку при близких КЗ, коrда
полные напряжения MorYT быть малыми, o имеют наи
большие значения.
К недостаткам защит, включенных на o и и о , по сравне-
нию с рассмотренными выше кроме очеВидноrо основ но-
ro приrодности для действия только при K(I) и K(I,!) (при
Ю 2 ) И ЮЗ) такие защиты не работают) относятся малая
приспособленность для случая работы линий в длительных
неполнофазных режимах, характерных наличием составля
ющих!о и !!.о, возможность сильноrо влияния на них взаи
моиндукции (см. rл. 1), в особенности между параллель
ными, близко расположенными цепями линий, УХУДШаю
щей параметры защит и усложняющей их выбор, и
необходимость учитывать все заземленные нейтрали aBTO
трансформаторов (трансформаторов) как источники co
ставляющих нулевых последовательностей (в большей Me
ре, Ч,ем для защит, использующих полные токи и напряже-
ния фаз).
В ряде вопросов расчет защит нулевой последователь
ности, в особенности для 1 и П ступеней, во MHoroM подо-
бен расчету защит, включенных на полные токи и напря-
жения фаз.
В Советском Союзе методам расчета токовых направ
.'IeHHbIx защит нулевой последовательности, учитывающим
все перечисленные их особенности, было уделено особенно
большое внимание, начиная примерно с 1940 r., коrда было
Принято решение ориентироваться на их применение в се-
тях с и ном >110 кВ для действия при КЗ на землю вместо
дистанционных защит, которые в те rоды не имели удачных
исполнений для работы при этом виде КЗ. Рассматривае
мые защиты, как уже отмечалось, и в настоящее время Ши
роко применяются в указанных сетях как резервные,
а иноrда и как основные со ступенчатыми характеристика
ми выдержки времени.
Детальная, с rодами Уточняемая и уrлубляемая разра
217
ботка методов расчета защит выполнялась в u еРзиУ ТЭП
(теперь эеп) несколькими поколениями релеищиков, в по
следние rоды с существенным использованием работ
НПИ (А. Д. Дроздов, А. е. Засыпкин и др.) и Южноrо
отделения эеп (r. В. Бердов и др.) по учету бросков TO
ков намаrничивания трансформаторов (автотрансформа
торов) (см. rл. 1). По ним\ выпущены два издания РУ, по
следнее [36]. Поэтому ниже только кратко отмечаются
некоторые принципы этих расчетов, в первую очередь для
одиночных линий, коrда отсутствует эффект взаимоиндук
ции. 1
Особенности выбора параметров срабатывания CTY
П е ней П р и выбо р е 1 з дополнительно к условию отстройки
., K (l)
от расчетноrо lк,вн тах нулевой последовательности при
или K(l,l) В зависимости от Toro, коrда он больше (см. rл. 1),
в общем случае рассматривается также отстройка от He
полнофазноrо режима с 31 он ,р, ПОЯВЛЯЮЩеrося весьма KpaT
ковременно за счет неодновременности включения фаз BЫ
ключателя при АПВ линии и более длительно в цикле
ОАПВ. Отстройка 1 ,з по первому дополнительному усло
вию может не требоваться, если придать небольшое за
медление выходным opraHaM защиты. В этом случае He
обходимо учитывать второе дополнительное условие,
если в цикле ОАПВ ступень автоматически не выводится
из работы. Отстройка 1 ,з от токов качаний не требуется,
так как они составляющих 10 не имеют. Качания, которые
MorYT иметь место при внешних КЗ на землю, также пред
ставляют не расчетный случай, так как токи 10 бывают тем
меньше, чем больше уrол б между векторами эде (aBa
рийное напряжение и ав и ero составляющие в месте по
в реждения снижаются).
Особенности выбора параметров срабатывания 11 CTY
пеней. Дополнительным условием является необходимость
соrласования с защитами нулевой последовательности aB
тотрансформаторов в случае установки последних на под
станциях. Необходима также проверка недействия ступени
под влиянием токов небаланса.
Особенности выбора параметров срабатывания послед
них (111) ступеней. Для последних ступеней, как и для за-.
щит, включаемых на полные напряжения и токи фаз, BЫ
держки времени выбираются по ступенчатому или встречно
ступенчатому принципу. Ниже (рис. 5.17) рассматривают
ся два СЛУЧаЯ применения первоrо принципа. На рис. 5.17, а
218
показана 'цепочка одиночных линий с одним источником
питания в виде блока reHepaTop трансформатор с зазем-
ленной нейтралью и трансформаторами с изолированными
нейтралями на понижающих подстанциях (случай возмож-
ный для сети 110 кВ, понижающие трансформат ры кото-
рой MorYT по условиям изоляции работать без заземлений
нейтралей) . Защита 1, включенная на блоке линия
трансформатор, выполняется без выдержки времени и! <
<0,1 с), так как при КЗ за понижающим трансформато
It 2 It 1
-= I I I
_:ЦФ а)
. з,310
. t 1
Рис. 5.1? Токовая ступенчатая защита нулевой последовательности ра-
диальнои сети
ром токи 10 в ней не ПОявляются. е учетом последнеrо при
отсутстВИи УРОВ t 2 ==t l +M;:::; М. Получающийся при этом
выиrрыш во временах срабатывания по сравнению с защи-
тами, включенными на полные токи фаз, иллюстрирует
диаrрамма, приведенная на этом же рисунке.
На рис. 5.17, б изображена такая же цепочка линий, но
на понижающих подстанциях установлены автотрансфор-
маторы (частый случай) или трансформаторы с заземлен
НЫми нейтралями (обычно для иHOM 220 кВ). Эти авто-
трансформаторы (трансформаторы) являются как бы ис-
точниками токов нулевой последовательности (см. r л. 1).
Казалось бы, поэтому для защиты сети следует применить
встречно ступенчатый принцип выбора выдержек времени.
219
Однако так поступать нет необходимости, поскольку такие
источники питания функционируют только до момента OT
ключения питающих их линий. Для предотвращения же
излишнеrо действия защит 1 и 2 при К3 на землю в пита-
ющей сети осуществляется их отстройка выбором соответ-
ствующих токов срабатывания I c ,31 и I c ,32'
Основная особенность в J3ыборе I с ,з заключается в воз-
можности отстраивать I с ,з последних ступеней, работаю-
щих с выдержкой времени, только от расчетных первичных
токов небаланса !нб,п,расч (см. rл. 3), которые бывают зна-
чительно меньше Iраб тах. Так, например, для сети на рис.
5.17,а !с,31 и I c ,32 отстраиваются только от Iнб при ЮЗ) за
трансформаторами подстанции противоположных концов
участков, отключаемых с выдержками времени, равными
выдержке времени рассматриваемой защиты или больши-
ми нее, и соrласуются между собой по чувствительности:
I с ,з>/ н б,п,расч и I c ,32>/ c ,31. В ряде случаев приходится, од-
нако, учитывать дополнительные, более тяжелые условия,
некоторые из которых указаны ниже.
Для защит сети по рис. 5.17, б при трансформаторах
с заземленными нейтралями на понижающих подстанциях
I с ,з должны отстраиваться как от Iнб,п,расч при К(З) за транс-
форматорами подстанций, так и От токов 3/0, rенерируе-
мых указанными заземленными трансформаторами при К3
на землю в питающей сети. Для отстройки от последних
часто приходится заrрублять защиты или выполнять их
направленными. Если стремятся выполнить защиту 1 по
возможности быстродействующей, учитывается также ус-
ловие отстройки ее I с ,з от составляющих нулевой последо-
вательности бросков тока намаrничивания, кратковремен-
но появляющихся при неодновременном включении фаз
выключателем (в предыдущем случае их не моrло быть,
так как нейтрали понижающих трансформаторов были изо-
лированы). Как уже указывалось, методы расчета этих
бросков были детально разработаны под руководством
А. Д. Дроздова (НПИ). Улучшение отстройки от них так-
же разрабатывалось в НПИ (А. Д. Дроздов, В. В. Плато-
нов и др.). Для сетей 110 330 кВ отстройка обычно ocy
ществляется .не по I с ,з, а по времени создания небольшоrо
замедления защиты. Для защит сети по рис. 5.17, б при
автотрансформаторах на подстанциях в общем случае при-
ходится учитывать еще следующее условие. Автотрансфор-
маторы со стороны среднеrо напряжения работают на сеть,
оказывающуюся всеrда работающей с заземленной ней т-
220
ралью (автотрансформатора). При Юl) И Ю1,1) в этой сети
появляются токи 10 в защищаемой цепочке линий высшеrо
напряжения, поэтому ее защиты по токам срабатывания
и выдержкам времени должны быть соrласованы с защи-
тами нулевой последовательности От К3 на землю в сети
среднеrо напряжения.
В общем случае при наличии в защищаемой сети не-
скольких источников питания (станций) для последних
(а иноrда и вторых) ступеней защит с небольшими вы-
держками времени возникает необходимость отстройки от
токов небаланса при качаниях. Необходимо также счи-
таться с возможностью работы в сети некоторых, обычно
тупиковых участков в длительном неполнофазном режиме
(например, при проведении пофазноrо ремонта под напря-
жением). В этом случае их защита должна отстраиваться
от этоrо режима (если не выводится из работы), а за-
щиты друrих участков следует про вер ять по условию
!с,з"?-k отс (Iнб,п,расч+3/0н,р)/k в , [де IНб,п,расч соответствует
Iрабтах неповрежденноrо участка, а 10H,p TOK 10 на непо-
врежденном участке, определяемый несимметрией возни-
кающей из-за работы друrоrо участка в неполнофа ном ре-
жиМе. С друrой стороны, MorYT иноrда возникать для на-
правлен ых защит облеrчающие условия, определяемые
конечнои чувствительностью ОНМ по напряжению сраба-
тывания. В некоторых случаях, например при качаниях,
И О отсутствует и поэтому даже большие Iнб, возможно, не
cMorYT обусловить срабатыванию ОНМ, а следовательно,
и защиты в целом.
Чувствительность последних, как и 11 ступеней защит,
характеризуется их k ч , определяемым током 3/0 в расчет-
ных точках при Юl) и K(I,I) (второй случай менее интересен
для 11 ступени, если при мноrофазных К3 работает более
совершенная дистанционная защита). Необходимо отме-
тить, что чувствительность (в первую очередь последней
ступени) может оrраничиваться конечной чувствительно-
стью по напряжению ОНМ. С учетом этоrо ОНМ иноrда
включаются таким образом, что при срабатывании блоки-
руют защиту при направлении мощности К3 к шинам (схе-
ма с блокирующим ОНМ) и соответственно разрешают ее
срабатывание при К3 в защищаемом направлении вне за-
висимости от значений Ир и I p . Обычная схема сОНМ
срабатывающим при направлении мощности К3 от ши
в линию, называется схемой с разрешающим ОНМ. Схема
с блокирующим ОНМ дЛЯ устранения мертвых зон рас-
221
смотренных выше защит, включенных на полные токи и Ha
пряжения фаз, считается нерациональной.
При использовании схемы с блокирующим ОНМ ток
срабатывания соответствующей ступени защиты необходи
мо соrласовывать по чувствительности с ОНМ дЛЯ предот
вращения неправильноrо действия защиты при направле
нии мощности К:З к шинам в случае отказа ОНМ из за He
достаточной чувствительносiи.
Особенности выбора токов срабатывания защит парал
лельных цепей. При выборе токов срабатывания 1 и II
ступеней защиты параллельных цепей, имеющих между co
бой значительную взаимоиндукцию (например, подвешен
5.18, в); в конце зоны, защищаемой 1 ступенью защиты,
включенной на противоположном конце второй цепи (рис.
5.18, с), при К:З на последней и каскадном ее отключении.
Указанные условия ЯВЛЯЮтся обычно весьма тяжелыми,
и их учет ухудшает защиту. Для облеrчения расчетных
условий возможны, например при создании режимов по
рис. 5.18, а и в, изменения параметров защит или даже ca
мих схем защит. Однако в рассматриваемых защитах в OT
личие от дистанционных (см. r л. 6) они полноценноrо ре-
шения не дают и не используются.
А Б
а)
';" -=
Б
';"
-=
5.10. OprAHbI НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ И СХЕМЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ
НА НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКИ
Выполнение ОНМ функций фиксации направления
мощности КЗ. Характеристической величиной ОНМ явля
ется уrол сдвиrа фаз между подводимыми к нему Ир и 1 р .
Направление мощности К:З также характеризуется уrлами
между токами К:З и соответствующими
напряжениями. У словные положитель
ные направления токов для каждой
защиты (см. рис. 5.6) приняты OДHO
значными (вне зависимости от места
К:З) в сторону защищаемой линии.
При металлическом К:З, например,
у шин подстанции Б в точках К' или
К" остаточное напряжение на шинах
Б по фазе остается практически неиз
менным, так как определяется задан
ной ЭДС (например, Е А ) за вычетом
падения напряжения до места повреж
дения у шин Б. Фаза же тока в защи
те 3 будет по отношению к этому напряжению изменять
ся примерно на 1800 (рис. 5.19). Поэтому ее ОНМ, выпол
ненный реаrирующим на сдвиr фаз между подводи-
мыми к неМУ!!Б и !к, при правильном их сочетании реаrи-
рует и на направления мощности К:З через защиту 3, KOTO
рые при повреждениях в К' и К" будут противоположными.
В общем случае мощность К:З, направленная через ме-
л л л л л
сто включения защиты, SК==ИА1А+Иs1s+Ис1с rде 1 А 1в
Л , л'
и 1 с сопряженные комплексы токов. Выражая J! и 1 че
t\
рез симметричные составляющие, получаем ,:?к==3 ( A11Al+
8)
А
Б
-=
Рис. 5.18. Расчетные условия для выбора токов срабатывания защнт
нулевой последовательности параллельных цепей
ных на общих опорах), возникают дополнительные усло-
вия. Они сводятся в основном к следующему. Ток 1 ,з OT
страивается от тока при внешних К(1), К(1,!) в режимах
(рис. 5.18): при работе одной цепи и заземлении второй
(отключенной) с обеих сторон и К:З на землю в начале
смежноrо участка (рис. 5.18, а); при каскадном отключе
нии второй цепи, имеющей К:З на конце, ближайшем к ме-
сту включения рассматриваемой защиты (рис. 5.18, б). За
счет взаимоиндукции ток в защите в некоторых случаях
оказывается при этом даже большим, чем в первом случае.
Ток 1 з отстраивается от тока при внешних К(1), К(1,!):
в конце зоны lk. защищаемой 1 ступенью защиты преды-
дущеrо участка, коrда на данном включена одна цепь,
а вторая отключена и заземлена с обеих сторон (рис.
222
r ЛБ /
VKK 1
!lБ
!.к к"
Рис. 5.19. Действие
ОНМ в сети с дву-
сторонним питанием
223
л л
+ A2IA2+ AoIAo). Таким образом, K определяется CYM
л
мой произведений !! и 1 только одноименных последова
тельностей. Можно также rоворить о фиктивной мощности,
определяемой аварийными слаrающими напряжений и TO
ков. По аналоrии ее можно представить как SK,aB ==
Л Л. Л
==3 AlaBIA1aB+ U A 2abIA2ab-t UA oaBIAoaB)' Основное ее отли
чие от SK определяется первым членом с U А1ав, которое
коренным образом отличается от !!Аl (см. rл l), имея наи
большее значение в месте повреждения (и А1 наименьшее).
Остальные члены MorYT отличаться только в случаях, Kor-
да в режимах, предшествующих рассматриваемому, уже
имелась существенная несимметрия (например, к.з на ли
нии, оказавшейся в неполнофазном режиме).
Выполняться ОНМ MorYT реаrирующими на направле
ния мощностей только одной последовательности или, Дpy _
л
rими словами, на сдвиr фаз между.!! и 1 отдельных после-
дова тельностей.
Для рассмотренных защит ОНМ включались на полные
токи и напряжения фаз или их составляющие нулевой по
следовательности. Ниже будет также рассматриваться их
включение на составляющие обратной последовательности.
Мощности этих последовательностей, как показывает pac
смотрение приведенных для них выражений и диаrрамм на
рис. 5.20 [1, 16], направлены не к месту к.з (как полные
и прямой последовательности), а наоБОр{jт, от места к.з
к шинам подстанций и далее к заземленным нейтралям
трансформаторов и автотрансформаторов (для нулевой
последовательности) и нейтралям как reHepaTopoB, так и
наrрузок любоrо вида (для обратной последовательности).
Срабатывание ОНМ в двух последних случаях должно по
этому происходить при направлении мощности к.з соответ-
ствующей последовательности не от шин в линию, а от ли-
нии к. шинам. Это обстоятельство учитывается при выборе
типа ОНМ и ero схемы включения на и р и ly. На принципе
же действия направленных защит это не отражается, по-
скольку при переходе из защищаемой зоны в незащищае
..-...
мую уrол Upl p по прежнему изменяется примерно на 1800.
Поэтому там, rде это не искажает общих принципов, обыч-
но rоворится о возможности действия направленных защит
224
o
к(3)
}1
I
I
I
I
I I I
I S (2} S(2) I
I K1 '
I
(2) S(2) 8)
SK2 2н
У 6f 71 'f6
I
I Т I т
I S(1) I
I к 1 --------4.- I
I I (1) 1/ I I
I I SKO I ! 2)
(1)I
К2 КО
Рис. 5.20. Диаrрамма изменения мощностей последовательностей вдоль
линии и друrих элементов систем при различных видах К:З
а)
е Kt )
71
'
: i
K I
s(2)
о) К2
при направлении мощности к.з От шин в защищаемую ли
нию вне зависимости от схем включения ОНМ на U И 1
р р.
Включение на составляющие прямОй последоват ел ьности
Осуществлять нецелесообразно, так как при несимметрич-
ных к.з мощность прямой последовательности, определяе
мая к.з, может оказываться направленной противоположно
мощности. прямой последовательности, передаваемой по за
щищаемои линии к наrрузкам.
.друrая оценка должна быть дана составляющей пря
мои последовательности мощности SK,aB!. Она изменяется
как и. полная SK,aB, вдоль системы подобно мощностям об
ратнои Р' нулевой последовательностей (рис. 5.21) и прак-
тически Не зависит От наrрузки.
(z)
К ВС
I f1 I Рис. 5.21. Диаrрама изменения аварий-
: ои МОЩности прямой последовательно-
' ,
Sк,аб1 5/{,а61
1 855
225
Предложение об использовании уrловых соотношений
при SK,aB впервые было сделано в СССР на кафедре РЗА
МЭИ (Ю. А. Барабановым).
Характеристики ОНМ. Работа обычно используемых
ОНМ при нулевом пороrе чувствительности вне зависимо
сти от их выполнения характеризуется диапазоном воз
/'..
можных уrлов срабатывания СРР== p!y== 1800 и определя
ется выражением
(900 + а) < СРр < (900 а), (5.6)
rде a==const некоторый уrол, специально создаваемый
для обеспечения четкой работы ОНМ дЛЯ принятой схемы
ero включения. OpraH не может срабатывать при подведе
нин к нему только и р (1р==О) или l р (и р ==о), так как не
будет условия для сравнения фаз двух величин. Поэтому
ОНМ MorYT срабатывать только при конечных значениях
Ир и l р тем меньших, чем меньше их порor чувствительно
сти, например противодействующий механический момент
у электромеханических opraHoB. С учетом этоrо введено
понятие об уrле максимальной чувствительности СРР==
==СРР тах ч, при котором ОНМ работает при минимальных
значениях подведенных величин. Уrол а выбирают Ta
чтобы он был равен cpp тах ч. Тоrда условие срабатывания
(5.6) приобретает вид
(900 СРртахч) СРр«90 0 + СРртахч)' (5.7)
ОСНОВНЫМИ характеристиками ОНМ являются: уrло
вая зависимость Uc,p==f(cpp) при l c ,p==const и вольт ам
перная зависимость Uc,p f(1c,p) при срр==сопst,даваемая
обычно для уrла максимальной чувствительности, т. е.
срр,с==СРр тах ч. Уrловая и вольт амперная характеристики
в прямоуrольной системе координат дЛЯ ОН М, приближа
ющихся к идеальным (с пороrом чувствительности, близ
ким к нулю), представлены соответственно на рис.
5.22, а и б.
Вид реальных характеристик отличается от идеальных
и в значительной мере определяется элементной базой, на
Которой выполнен ОНМ. Так, например, ОНМ, осуществ
ленные на интеrральной микроэлектронной базе с опера
ционными усилителями (см. r л. 2), имеют рассматриваемые
характеристики, близкие к идеальным. Часто использовав
шиеся ранее индукционные ОНМ, характеризуемые в усло
виях срабатывания Мэм==kUс,рlс,рСОS (cpc,p q;p тах ч) ==
226
::==Ммех,с, имеют характеристики, приведенные на рис.
5.23, а и б. За счет насыщения маrнитной системы при
больших l р их вольт амперные характеристики (рис.
5.23, б) имеют минимальное конечное U .pmin' За счет KO
нечноrо максимальноrо ис,р тах== ином их уrловые xapaK
ис,р
1800
ис,р
900 l{!p тахч
90 0 +I{!р тах ч
ис,р min== О
о)
Ic,p
ис,ро;::!.О
а)
I{!p
Рис. 5.22. Характеристики идеальноrо opraHa направления мощности в
прямоуrольной системе координат:
а уrловая; б вольт амперная
ис,р ис,р mi.n и с / р mi.n
<1800
IL
ОР/НОМ
I{!р о) Ic,p 8) Ic,p
I{!р тахч== 1X
Рис. 5.23. Характеристнки реальноrо ОНМ в прямоуrольной системе
координат:
а уrловая; б вольт-амперная для индукционноrо ОНМ; в вольт-амперная
для полупроводниковоrо ОНМ
теристики имеют сокращенный (по сравнению со 1800)
диапазон уrлов СРр,с. Работа полупроводниковых ОНМ, BЫ
полненных на схемах сравнения абсолютных значений Be
личин, также определяется характеристиками, зависящими
от конкретных значений и р и l р . ИХ вольт амперная xapaK
теристика при больших l р и малых и р определяется Bыpa
жением UрСОS(СРр СРртахч), а при малых l р и больших
U р соответственно 1 р cos (срр срр тах ч); при и р kl р, как
было отмечено Ю. [. Назаровым (ВНИИ), она определя
15*
227
€тся выражением Ир[IСОS(<рр <рртахч)/21 Isin(<pp
<рр тах ч) /21] и оказывается состоящей из трех участков
(рис. 5.23, в).
При использовании современной микроэлектронной эле-
ментной базы предпочтение отдается ОНМ со схемой
сравнения по уrлу. .
Полярность обмоток ОНМ. К:онцы (зажимы) цепей
ОНМ, получающих питание от Т А и TV, обычно маркиру-
ются; они получают условно отмеченную полярность, т. е.
условные начала и концы. За начало второй цепи (напри
мер, !р) при произвольно принятой маркировке первой (со-
ответственно p) однозначно принимается тот ее конец,
при котором обеспечивается a=== <pp тах ч, указанный
в паспорте opraHa. однополярными называются концы,
промаркированные указанным образом; они обозначают-
ся, например, звездочкой.
Принципы включения ОНМ на Ир и I р . В настоящее
время обычно применяются пофазн ые opraHbI с одним Ир
и одним !..р, включаемые на полные напряжения и токи фаз
или их составляющие нулевой или обратной последова-
тельности. В отечественной технике получили распростра-
нение для некоторых специальных защит opraHbI с одним
И р и одним !р, но включаемые на трехфазные фильтры
симметричных составляющих.
Обычно при включении на полные напряжения и токи
фаз не применяются схемы с использованием одноименных
И р и f.y.
Один из основных недостатков таких схем наличие
мертвых зон при всех видах учитываемых К:З. Применения
они не получили. Основной рекомендуемой является так
называемая 90 0 -ная схема включения. В этой схеме соче-
таются токи фаз (рис. 5.24,а), например, Ip===I A и между-
фазные напряжения двух друrих фаз, соответс';венно Ир
И ве. Для оценки работы схемы и выбора <рр тах ч о ка за-
лось целесообразным воспользоваться непосредственным
выявлением фазных соотношений между Ир и I р при раз-
ных видах К:З [1].
При К(З) векторная диаrрамма тока 1<]) и остаточноrо
напряжения ИlJt приведена на рис. 5.24, б. Уrол <р З) ==
/...........
lJ<i!<1)===270О+<р З), rде qJ 3) уrол между <1) и IЯ).
228
ЭТОТ уrол с учетом Rп может изменяться в пределах 0 900.
Поэтому справедливо соотношение 2700:::;;:;<p 3) :::;;:;3600 или
900:::;;:;<p 3) :::;;:;0. Уrол <рр тах ч С учетом Toro, что 900 <
< (<p 3) <рр тах ч) <900, должен удовлетворять условию
0< <рртахч<900. При <рртахч===О (а===О) схема моrла бы
отказывать в действии при повреждении через Rп в начале
линии. При друrих видах К:З допустимые пределы измене
ния <рр тах ч выявляются аналоrичным образом. Проведен-
ное рассмотрение работы схемы при разных видах и местах
!lA
!р =!А
!!р = !!ВС
Ув
иЩ и(J)
p 8C
о)
Рис. 5.24. 90 0 ,ная схема включения opraHa направления мощности
К:З дало возможность сделать по ней следующие выводы:
ОНМ должен выбираться с уrлом 30 0 <<рртахч<60 0 ; схема
приrодна как для трехфазных (с тремя ОНМ), так и для
двухфазных (с двумя ОНМ) защит, так как при Ю 2 ) четко
работают opraHbI, включенные на ток любой из двух по-
врежденных фаз; мертвая зона возможна только при близ-
ких металлических К(3); при K(l) или Ю 1 ,1) opraHbI, вклю-
ченные на токи неповрежденных фаз, MorYT работать не-
правильно и схема поэтому должна строиться так, чтобы это
не приводило при внешних К:З к излишнему срабатыванию
защиты в целом; при несимметричных К:З [Ю 2 )] за транс-
форматорами (автотрансформаторами) с соединением об-
моток У/Д или Д/У за счет неодинаковоrо сдвиrа при
трансформации токов и напряжений, имеющих разные фаз-
ные соотношения (см. r л. 1), теоретически возможно не-
правильное срабатывание ОНМ, отделенных от места К:З
указанными трансформаторами; практически последние
действия мало вероятны.
Возможны и друrие схемы включения ОНМ на полные
напряжения и токи фаз (например, 30 0 -ная). Однако в оте-
чественной практике для токовых направленных защит,
229
включаемы\ на полные напряжения и токи фаз, всеrда при
меняется 90 ная схема включения, так как друrие схемы
преимущества перед ней не ИМеют.
OpraHbI направления мощности при 900 ной схеме вклю
чения имеют мертвые зоны. На их rранице, например для
электромеханических ОНМ и ОНМ, выполненных по схеме
сравнения абсолютных знаЧений, при больших токах в реле
UрСОS(срр срртахч)==Uс,ртiп, rде Uc,pmiп дано при уrле
максимальной чувствительности срр тах ч. С учетом Toro, что
мертвая зона при применяемой 900 ной схеме включения
ОНМ может быть только при металлическом ЮЗ) и(3)
y (3) , Р
3Z 1л lхlк /К u , откуда длина ме р твой зоны 1 ==
к Y . (3) х
UUc.Pmiп/[ 3Z IЛ !К СОS(срр срртахч)J.
ZrO
!}шо
]0
к
ZrO!.O
!.О
-=-
а)
Рис. 5.25. Включение ОНМ на составляющие Н у лево
ности й последователь
Для защит нулевой последовательности используется
схема включения на напряжения и токи нулевой последо
вательности (рис. 5.25, а). В этой схеме сочетаются U р ==
== зи о и !..p==3l,o. Векторная диаrрамма 10 и и о при повреж
дении К(1) или K(1,I) на землю через Rп пр иве дена на рис.
5.25, б. Напряжение.i!шо на шинах подстанции проще Bcero
определяется как падение напряжения в сопротивлении
ZT O трансформатора этой подстанции, имеющеrо rлухоза
земленную нейтраль: Uшо== Zтоl0; при этом 180 0 <:срро<270 0 .
Переходное сопроти вле ние R:т Ha значение СРро не влияет
(см, rл, 1). Активная слаrающая ZTO мала. Поэтому СРрО
близок к 2700 ( 900), и наи вы rоднейшее значение
СРртахч== 'срро 900. В общем случае ток 10 в месте вклю
чения защиты замыкается не только через нейтрали TpaHC
форматоров данной подстанции, но и через нейтрали дpy
rих трансформаторов системы, отделенных Zo линий, име
230
ющих большую активную слаrающую, чем TO' При этом
<рро<270 0 и ОНМ целесообразно иметь с уrлом, несколько
меньшим 2700 (меньшим 900), например с срр тах ч
1150, В случае удаленных КЗ на землю, например Kor
да защита работает как резервная при К(1) и Юl,l),.i!р и [у,
в особенности !}р, MorYT быть весьма малы. Поэтому и в
данной схеме важно иметь ОНМ высокой чувствительно-
ти. Иноrда используются специальные мероприятия для
улучшения ero работы (например, применение указанной
выше схемы с блокирующим ОНМ),
Вопросы для самопроверки
1. Какие защиты называются токовыми и токовыми на-
правленными?
2. Объясните назначение 1, II и III ступеней токовой
защиты.
3. В чем заключаются ступенчатый и встречно ступен
чатый принципы выбора выдержек времени?
4. Как определяется относительный коэффициент чув
ствительности максимальной токовой защиты?
5. Как определяется защищаемая зона токовой отсечки
без выдерЖКИ времени (1 ступень) линии с односторонним
питанием?
6. Как может повлиять на защитоспособность 1 ступе-
ни одной из сторон линии с двусторонним питанием выпол
нение защиты направленной?
7. Определите области применения токовых и токовых
направленных защит.
8. Какая схема включения ОНМ на полные напряжения
и токи фаз имеет преимущественное распространение и при
каких КЗ этот opraH может иметь мертвую зону?
9, Какие преимущества и недостатки имеют токовые
и направленные защиты, включаемые на составляющие
нулевой последовательности, по сравнению с защитами,
включаемыми на полные токи и напряжения фаз при К(1)
и К(1,!)?
rлава шестая
ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ
6.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПО ДИСТАНЦИОННЫМ ЗАЩИТАМ
Дистанционными называются защиты с относительноЙ
селективностью, выполня'емые с использованием измери-
тельных ореаНО8 сопротивления opraHoB, характеристи-
ческой величиной для которых по [ОСТ является задан-
ная функция выраженных в комплексной форме отноше-
ний воздействующих напряжений к воздействующим
токам. Это отношение для удобства анализа и расчетов
защиты еще в 20-е rоды было принято называть сопротив-
лением на зажимах защиты. Необходимо отметить, что
приведенное может приниматься только с некоторыми oro-
ворками. Указанное отношение для мноrих opraHoB сопро-
тивления при неучете поперечной проводимости линий и
металлических КЗ (Rп==О) пропорционально расстоянию
от места включения защиты до места повреждения (см.
rл. 1) дистанции, что и определило название защиты.
OpraHbl сопрот'ивления MorYT быть выполнены как оммет-
ры, измеряющие значения характеристической величины,
или как только срабатывающие в контролируемой ими зо-
не и не срабатывающие при КЗ вне ее. Последние более
просты по выполнению и получили преимущественное при-
менение. Омметры применялись еще с конца 20-х rодов
для получения защит с плавно зависимыми характеристи-
ками выдержки времени t == f (1), а также как rрубые ука-
затели расстояния до места КЗ. Защиты с зависимыми ха-
рактеристиками иноrда используются и в настоящее вре-
мя в сетях с U ном -<:35 кВ, коrда требуется соrласование их
характеристик с защитами потребителей, выполненных
плавкими предохранителями (см., например, [48, 15]).
Характеристические величины opraHoB сопротивления
при возникновении повреждения снижаются. С учетом
этоrо, как правило, используются минимальные opraHbl,
работающие без выдержки времени. Последние, при необ-
ходимости, создаются отдельными орrанами выдержки
времени, определяющими ступенчатую характеристику
t==f(l). Обычно она имеет три ступени (рис. 6.1). Лоrичес-
кое уравнение, характеризующее работу защиты при при-
нятых условиях если принять НО сопротивления направ-
, 1 DtI +Z II DtII +
ленными, имеет вид (см. r.'I. 1) У==Zс,з 1 с;, t
232
+Z D/,I :. в нем Zс,з максимальные значения сопротив-
ления Z3, при которых защита еще срабатывает. Ниже
рассматривается именно такое выполнение защиты.
Для opraHa сопротивления, как и для opraHa тока, су-
ществуют понятия о Zв,з минимальном Z3' при котором
он возвращается в исходное состояние, о Zc,p и ZB,p (по-
скольку opraHbl включаются через Т А и TV) и о коэффи-
циенте возврата k B . Связь между первичными Z3 и вторич-
ными Zp часто определяется соотношением Zp== (К/НОМ!
/Кином) zз. Коэффициент возврата k B == ZB.P/ZC.D == Zв.з/Zс,з>
> 1, поскольку opraH мини-
мальный. В целях упрощения t
записей в дальнейшем прини-
мается К/ном/Кином == 1, т. е.
Zp == Zз.
Практически работа дис-
танционных защит при К3
определяется не только рас-
стоянием 1 до места повреж-
дения, но и рядом друrих ис-
кажающих факторов пере-
ходными сопротивлениями
Rп, наличием между местами
их включения и КЗ источни-
ков питания и наrрузок, сдвиrами по фазе между ЭДС
источников питания, неоптимальным сочетанием воздей-
ствующих величин opraHoB сопротивления и т. д. Учет
этих факторов производится НИЖе, причем он во MHorOM
облеrчается блаrодаря проведенному в rл. 5 подробному
рассмотрению поведения токовых направленных защит,
также выполняемых со ступенчатыми характеристиками
выдержки времени.
Работа защит рассматривается на примере их приме-
нения в сети с двусторонним питанием (рис. 6.2, а). За-
Щиты 1 б включаются с обеих сторон каждоrо участка
и являются направленными. Направленность действия мо-
Жет не потребоваться только в некоторых частных случа-
ях, например для защит участков с односторонним пита-
нием. Характеристики выдержек времени защит даны на
рис. 6.2, б. Они подобны характеристикам, рассмотренным
в rл. 5 для токовых направленных защит, и обеспечивают
отключение только одноrо поврежденноrо участка или
шин подстанции. Существенными преимуществами дистан-
Ционных защит по сравнению с токовыми направленными
t Ш
t I
t Л
1 зона
П зона Ш зона
Рис. 6.1. Ступеичатая характе-
ристика выдержки времени
дистанционной защиты
233
А
0+1.
5 8
3 lч l
l1 о
r
.
м
5)
Рис. 6.2. Действие дистанционной защиты в сети с двусторонним пи-
танием
(см. rл. 5) при внешнем сходстве их характеристик t==
==[(1) являются значительно более четко фиксированная
длина первой защищаемой зоны, составляющая ПI:И Rп==
== о [1 0,85 -+- 0,9 длины участка, более совершенныи OXBa
второй зоной [11 конца участка и шин противоположнои
подстанции (больший k I , большая чувствительность III
ступени с соответствующей ей [I1I (если токовые направ-
ленные защиты включены на полные токи и напряжения
фаз, а не на составляющие нулевой последовательности
для действия при К(1»).
234
6.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ
Принципы выбора параметров защит со ступенчатыми
характеристиками t==[(l) были уже рассмотрены в rл. 5.
Применительно к трехступенчатым дистанционным защи-
там выбору подлежат времена tI, t П , t lII И сопротивления
1 11 Z III
Zс,з, Zс,з и С,3. Времена устанавливаются полностью так
же, как для токовых направленных защит: у первой сту-
пени t I (без выдержки времени), у второй t П , для
вторых ступеней всех защит они одинаковы и часто рав-
ны 0,5 с, у третьей ступени t lII , они выбираются по
встречно ступенчатому принципу. Выбор ZС,з имеет неко-
торые особенности, рассматриваемые ниже на примере
защиты 1 сети на рис. 6.2, в, предназначенной для дейст-
вия при мноrофазных к.з, с включением ИО сопротивле-
ния на междуфазные напряжения и разности фазных то-
ков.
Выбор z ,з. Рабочие режимы даже с минимальным
рабочим сопротивлением Zрабтiп== Uрабтiп/lрабтах И режи-
мы самозапуска расчетными не являются; некоторые ис-
пОлнения защит на них вообще не реаrируют. Для предот-
вращения ЛОжноrо срабатывания при качаниях применя-
ются специальные устройства (см. ниже), так как Z;з
может снижаться в пределе до нуля, если электрический
центр системы (см. rл. 1) окажется расположенным в си-
стеме у шин А и отстройка по Z3 является в общем слу-
чае невозможной. С учетом изложенноrо Z ,з определяется
из условия оТстройки от к.з в начале предыдущих элемен-
тов (линий, трансформаторов подстанции Б точки Кl И
К2) по выражению
Z ,з == k TC ZI [л'
(6.1)
[де [л длина защищаемоrо участка (АБ); ZI ero удель-
ное сопротивление прямой последовательности; k TC < 1
(opraH минимальный). Обычно принимают k TC 0,85-+-
0,9. Первые ступени защит в рассматриваемой сети дол-
жны быть обязательно направленными для предотвра-
щения неправильноrо срабатывания, например защиты 1
при к.з в системе А. Возможные мертвые зоны часто иск-
лючаются вспомоrательными токовыми отсечками или
специальными мероприятиями.
В б Z II С II
Ы ор С,З' опротивление Zс,з от Zрабтiп И самозапус-
235
ков обычно отстроено. Оно определяется по тем же усло-
J II u
виям, что И С,з токовых направленных защит: отстроика
от начала второй зоны (конца первой) предыдущей дис-
танционной защиты 3, отстройка от КЗ за трансформато-
рами подстанции в конце линии (точке Кз), при которых
трансформаторы MorYT отключаться с t>t II . При расчетах
обычно пренебреrают разницей уrлов сопротивлений смеж-
ных элементов. Тоrда с учетом коэффициента распределе-
ния токов (см. rл. 5) k roK по первому и второму условиям
получаются неравенства Z З1..,;:k с [ZllАБ + k;TC (Z зБ/
/ II Il" '
k TOK Б) тin] И Zc, з1 ..,;:k OTC (ZllАБ + k OTC ZTтinlk ToK ттах). Здесь
k токБ и k ToKT учитывают неравенства токов в защите 1 и
соответственно в линиях и трансформаторах подстанции
Е при КЗ в расчетных точках (в конце Z ,ЗБ и К з ); эти
коэффициенты, нарушая плавную зависимость Z3 == f (l),
MorYT быть больше 1, облеrчая соrласование, повышая
k ;, uли иноrда меньше 1, затрудняя ero, Последнее мо-
жет быть, например, при наличии на участке ЕВ двух
параллельных цепей. При определении ZTтin следует учиты-
вать возможность существенноrо снижения ZT трансформа-
торов при реrулировании их коэффициентов трансформа-
ции под наrрузкой; k C k TC; k тc < 1 учитывает возмож-
ность отрицательной поrрешности opraHa сопротивления
защиты Е; k TC в общем случае учитывает искажение за-
мера при К(2) за трансформатором с соединением обмоток
У/Д [1], но часто принимается примерно равным 1.
При наличии III ступени, резервирующей действие II,
считается возможным иметь k I 1,25. Направленностьдей-
ствия II ступеней прежде Bcero определяется условиями
повышения их чувствительности. Для исключения мертвых
зон характеристику z2p == f (срр) выбирают так, чтобы она
заходила в зоны действия защит последующих элементов.
III Z III 1 II
Выбор Zс,з. Сопротивления с,з в отличие от Zс,з и Zс,з
обычно выбираются по условию отстройки от минимально
Z III Z
ro рабочеrо сопротивления Zрабтin: С,3, расч< рабтin при
СРр==СРраб. Однако более тяжелым является условие возвра
та opraHa в исходное состояние после отключения внешне-
ro КЗ (рис. 6.3). По этому условию необходимо иметь co
противление возврата Zв,з,расч<Zпертin или Zв,з,расч..,;:Zрабтin/
,'kотсkзz, rде k OTC > 1, а k3Z> 1 учитывает пониженное пере-
ходное Zр==Zпертin по сравнению Zрабтin за счет самозапус
ка двиrателей потребителей, обусловливающеrо повыше-
236
ние тока в защищаемой линии и понижение напряжения.
Сопротивление Zв,з,расч выражается через Zс.з,расч. Учиты-
вая эти соотношения, получаем
Zс,з,расч Zpa6тin/ k oTc k B k зz , (6.2)
Конец вектора с.з.расч (при уrле срраб) определяет на
комплексной плоскости Z расчетную точку характеристики
срабатывания III ступе Z ==f(cpp), Эта характеристика
должна обеспечивать необходимую чувствительность за
щиты (kч 1,5 при металлическом КЗ в конце защищаемо-
ro участка). При КЗ в конце смежных элементов, коrда
защита может работать как резервная (дальнее резерви-
рование), считается желательным иметь kч 1,25.
z
Рис. 6.3. Диаrрамма, характерн-
sующая поведение opraHa сопро-
тивления последней ступени защи-
rbl при внешних К3
Время
прохожденuя
тока К3
t
Для обеспечения этих, в общем случае весьма тяже-
лых, требований дЛЯ III ступеней часто используются ор-
raHbJ с характеристиками срабатывания Z : == f (срр), им е-
ЮЩIlМИ в плоскости Z вид, отличный от принимаемых для
1 и II ступеней, например в виде треуrольника на рис.
6.6, л. Ранее часто повышение Чувствительности достиrа
лось за счет свойств направленноrо opraHa сопротивления
с характеристиками по рис. 6.6, б и в. Для первоrо вари-
анта (рис. 6.6, б) формула (6.2) получает следующий
уточненный вид: Zс,з,расч"';:Z рабтin/ k 01 сkвkзzсоs (срраб q>л) .
Так как СРраб обычно значительно меньше q>л, получается
выиrрыш в Чувствительности в l/cos (q>Раб q>л) раз. Для
устранения мертвой зоны используются те же мероприя
тия, что и для II ступени. Необходимо отметить, что в не-
которых исполнениях защит ИО III ступеней выполняют
также функции пусковых opraHoB защиты. В сетях с
U ном ..,;:35 кВ они бывают даже токовыми. К их включению
237
и параметрам при выполнении функций пусковых opraHOn
MorYT предъявляться дополнительные требования.
Особенности выбора параметров срабатывания защиl'
от К(1). Принципиально для одиночных участков лиНий
подход к выбору Zс,з ступеней защиты остается таким же
как и рассмотренный для защит, работающих при MHoro
фазных К3 и использу щих междуфазные напряжения 11
разности фазных токов. Отличия определяются в Основ-
ном тем, что для данных ИО используются фазные напря_
жения и фазные токи и их составляющие нулевой ПОСЛе_
довательности. Поэтому в качестве источников питания:
следует учитывать не только синхронные машины, но 11
трансформаторы (автотрансформаторы), имеющие заЗем_
ленные нейтрали. На работу рассматриваемых opraHOB
может также оказывать влияние взаимоиндукция между
линиями, особенно при параллельных цепях. Использова_
ние способов отстройки, применяемых для токовых На-
правленных защит нулевой последовательности (см.rл. 5)
часто счит ется нецелесообразным. Специальные мерь;
для отстроики, усложняющие, однако, выполнение защи-
ты, рассматриваются ниже. Изложенное явилось одной ИЗ
причин, обусловливающих критическое отношение отечест-
венных специалистов к применению дистанционных защит
старых исполнений для работы при К(1).
Некоторые особенности выбора параметров срабатыва-
ния защит линий, для которых учитывается попереЧНая
емкостная проводимость. Выше рассматривался выбор Па-
раметров срабатывания ИО защит линий относительно не-
большой длины, коrда возможно пренебречь их равномер-
но.распределенной ПрОБОДИМОСТЬЮ. Для линий значитель'
нои длины напряжения 330 кВ и выше этот' учет
необходим (см. rл. 1). Входное сопротивление участка ли-
нии при К3 на ее конце с Rп О Bx,K cthyl. При пренеб-
режении потерями в линии ( выражении для коэффици-
ента распространения y a+J принимается a O) абсо-
лютное значение I BX,KI ZBx,K Zctg l, rде ffi/V===
0,06 rрад/км. Таким образом, ZBX,K растет в рассматри-
ваемом случае' не пропорционально длине 1, а быстрее.
При l 1500 км (четверть длины волны л 3600/(3===
==6000 км) ZBX,K==OO. Такое же сопротивление имеется при
холостом ходе линии. Поэтому применение выполненноЙ
обычным образом дистанционной защиты в этом случае
невозможно. Длины 1 участков обычно значительно мень-
ше 1000 км, И тоrда защита может быть использована.
238
Первичное сопротивление срабатывания 1 ступени за-
Jди ты Z , 3 ==k TcZctg l. Приведенные соображения MorYT
быть использованы и для определения Z 3 [11].
6.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ oprAHOB СОПРОТИВЛЕНИЯ
требования к формам характеристик Zc,p i(q;p) opra-
нов сопротивления с двумя входными величинами. Для
opra HoB с одним !!Р и ОДНИМ!Р рассмотрение вопроса удоб-
но проводить в комплексной плоскости сопротивлений.
В этой плоскости MorYT быть изображены как сопротивле-
ния элементов сети (см. рис. 6.2), так и характеристики
Z p===t(q;p) opraHoB. В начале
к 'ордина т (рис. 6.4) целесо-
образно располаrать конец
участка ЕВ, со стороны Б ко-
Toporo включа тся рассмат-
риваемое устроиство защиты.
Для выполнения opraHa
сопротивления, например 1
ступени, ха рактеризуемоrо
ZI 0,85Zл БВ ' при отсут-
с,3 .
ствИИ фактороВ, которые Mor-
ли бы существенно искажать
ero работу, достаточно было
бы иметь характеристику
Zc,p==f(q;p), проходящую че-
рез начало координат, что
обеспечивает направленность
действия (охват части третье-
ro квадранта недопустим по
условию отстройки от К3 на участке АБ), и конец ком-
плекса 0,85Z л,БВ и охватывающую последний с неболь-
шим запасом в перп ндикулярном направлении. Для ор-
raHoB 11 и 111 ступенеи охват небольшой части участка АБ
попустим, так как они работают с выдержками времени.
в риходитс , однако, считаться с некоторыми факторами,
бо Известно и мере моrущими противоречиво влиять на вы-
о р характеристики Zc,p==f (ЧJр). к числу этих факторов
RТНОСЯТСЯ необходимость учета переходных сопротивлений
д л в месте повреждения, при наличии которых защита
r жна правильно функционировать, и отстройка от на-
РУЗочных режимов и режимов качаний, при которых З8'
+jX
r
+R
А
Рис. 6.4. Использование комп-
лексной плоскости сопротнвле-
ний для выбора характеристи-
ки Zс,р f(ЧJр)
239
щита не должна срабатывать. Важными в этом направ
лении следует считать работы зарубежных (Варринrтон,
Братен) и советских (В. Л. Фабрикант, r. И. Атабеков,
Э. М. Шнеерсон и др.) авторов.
Учет переходных сопротивлений Rп в месте поврежде-
ния. Эквивалентная схема для случая повреждения через
Rп в точке К участка ЕВ сети uo рис. 6.2 приведена на
рис. 6.5, а. При междуфаэном К3, например трехфазном
симметричном ЮЗ), напряжение UР==Z11.Jр+Rпlп и Zp==
==!!p!jp==:11K+ (!пl{р)Rп. Из последнеrо Быражёния слёду
ет, что дополнительный член /1Z== (1пll р )Rп образует с
осью +R уrол a==arg (!n/!p). Ток !п в Rп может по фазе
s Ip lп 1p 8 S
'v К
rv
lx
ff
0.) Б _ о}
+R
Рис. 6.5. Влияние Rп на замеряе:'v!ое сопротивление Zp при двусторон-
нем питании
отставать от тока I p или опережать ero. Соответственно
мнимая часть /1Z будет отрицательной или положительной'
'
если, например, I п отстает от I p , ТО он будет опережать
ток !п !р, подходящий к месту повреждения со стороны
подстанции В. Поэтому если для защиты, включенной со
стороны Е, /1!: имеет отрицательную мнимую слаrающуlO,
то для защиты, включенной со стороны В, эта слаrающая
положительна. Таким образом, /1Z может иметь в плоскос-
ти Z наклон а вверх или вниз по отношению к оси + R
.......
(рис. 6.5, б). В частном случае при Iпlр==О уrол а==О и /1Z
направлено параллельно оси +R. нёучет возможных /12
при выборе формы характеристики Zc,p== f (qJp) может при:
водить к излишним срабатываниям защиты при внешних
повре дениях и сокращению защищаемой зоны (опреде-
ляемои для случая металлическоrо К3). Необходимо от-
240
метить, что при междуфазных К3 Rп обычно определяется
сопротивлением дуrи, которое (см. [Л. 1) обратно пропор-
l!.ионально току I п в нем. Поэтому в современных системах
с большими значениями I K и защитами с малыми t з (дуrа
не успевает раздуться) влияние /1Z бывает не очень боль-
шим. Друrое положение возникает при К(1), коrда Rп в ос-
новном определяется значительными сопротивлениями за-
земления опор или друrими возможными переходными со-
тротивлениями. В этих случаях Rп MorYT весьма
существенно влиять на работу защит.
Учет наrрузочных режимов. Наrрузочный режим, как
уже отмечал ось выше, может характеризоваться Zраб==
== !!рабl!раб. При выборе формы характеристик :::J(qJp)
следует учитывать как передачу больших активных мощ-
ностей от шин в сторону защищаемой линии (небольшие
qJраб, относительно малые Zраб), так и передачу неболь-
ших, в основном реактивных мощностей (большие qJраб).
При выборе характеристик Z ,p и Z :p 1 и 11 ступеней,
имеющих жестко оrраниченные значения по условиям се-
лективной работы защит, наrрузочные режимы, в особен-
ности для 1 ступени, не являются определяющими.
Необходимо отметить, что проведенное выше рассмот-
рение относилось к характеристикам opraHoB, предназна-
ченных для реаrирования на заданные петли К3. MorYT
быть случаи, коrда эти opraHbI, правильно работая при
этих К3, будут излишне срабатывать при внешних К3, об-
разующих друrие петли в трехфазной сети, что недопусти-
мо. В таких случаях к защите приходится добавлять спе-
циальные избирательные opraHbI поврежденных фаз, в схе-
ме защиты предусматривать спеl!.иальные мероприятия,
исключающие такие излишние ср'абатывания, или для ор-
[анов, реаrирующих на К(1), использовать избиратели,
составляющие основную часть устройств однофазноrо от-
ключения и (ОАПВ).
Учет качаний. При качаниях комплекс p может ока-
зываться в пределах области, определяемой характеристи-
кой Zc,p == f (qJp), поэтому указанная область в направлении,
примерно перпендикулярном !:.1, должна по возможности
сужаться. Однако это сужение противоречит необходимос
ти учета Rп. Следует также отметить, что в случае попа
дания электрическоrо центра системы (см. rл. 1) на защи-
щаемую линию окажется неизбежным срабатывание ее
защиты, воспринимающей этот режим как К3 в защища-
16 855 241
емой зоне, что недопустимо. Поэтому учет качаний при
выборе Zc,p==f(qJp) не осуществляется, а защиты снабжа-
ются специальными блокировками от качаний.
Учет поперечных проводимостей. Поперечная проводи-
мость влияет на уrол qJл тем больше, чем длиннее линия.
Уrол qJл при этом уменьшается и при длине линии 1, близ-
кой к четверти волны (1500 км), ее входное сопротивле-
ние становится чисто активным. Однако при 1< 1000 км
изменением qJл == f (1) обычно можно пренебреrать. Влияние
рассматриваемоrо фактора на выбор Zc,p==f(qJp) более под-
робно рассмотрено в [11].
Характеристики opraHoB сопротивления с числом воз
действующих величин больше двух. OpraHbl с числом воз-
действуЮщих величин больше двух однозначных характе-
ристик Zc,p== f(qJp) в плоскости!:. или какой-либо друrой
плоскости не имеют. Это, однако, не означает, что отсут-
ствуют возможности анализа поведения таких opraHoB под
воздействием рассмотренных выше факторов. Как было
пояснено в rл. 2, при наличии алrоритма функционирова-
ния opraHoB, использующеrо положение векторной и буле-
вой алrебр, возможно всестороннее рассмотрение работы
opraHoB с числом воздействующИх величин больше двух.
Для этоrо, однако, необходимо провести ряд последова-
тельных расчетов на ЭВМ, шаr за шаrом приближаясь,
например, к предельному значению Rп, при котором opraH
при повреждении в защищаемой зоне еще срабатывает.
6.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ Zc,p f(qJp) oprAHOB СОПРОТИВЛЕНИЯ
С ДВУМЯ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИМИ ВЕЛИЧИНАМИ
Существует большое число разновидностей характерис-
тик как opraHoB отдельных ступеней защиты, так и их со-
четаний для всех (обычно трех) ступеней защиты. Особен-
но MHoro уточненных для достижения разных целей харак-
теристик появляется в последнее время в связи с
возможностями, открывшимися при использовании интеr-
ральной микроэлектронной и микропроцессор ной техники.
Выбор целесообразных характеристик определяется при
этом не только соображениями 6.3, но иноrда и рядом
практических соображений. Ниже (рис. 6.6) рассматрива-
ются некоторые типичные или используемые на практике
характеристики Zc,p==f(qJp) для одной ступени в плоскос-
ти Z; области срабатывания opraHoB заштрихованы.
242
+jX
rп +R
't'p о}
+JX
+ 'X + il 'X
CIP тах
+R +R
IfJртахч д) е)
+jX Z +JX
Z 2
2 11
1 и) +R
л)
Рис. 6.6. Виды характеристик opraHoB сопротнвления
Круrовая характеристика с центром в начале коорди-
нат (рис. 6.6, а). Сопротивление Zc,p opraHoB с такой ха-
рактеристикой не зависит от qJp. Поэтому они называются
орrанами полноrо сопротивления. Применяются в защитах
сетей с и ном -<35 кВ с отдельными орrанами направления
мощности, поскольку (как было показано СРЗиУ ТЭП еще
в 30-х rодах) направленные реле сопротивления мало при-
rодны для правильноrо действия защит при К11/> .
Круrовая характеристика, проходящая через начало
координат, с центром, обычно располаrаемым на прямой,
характеризующей защищенный участок (рис. 6.6, б). Со-
противление Zc,p зависит от qJp, причем наибольшую чувст-
вительность (Zc,pmax) opraH имеет при q:>ртахч==q:>лаrсtgХ л /
/Rл. OpraHbl с такой характеристикой не охватывают пов-
реждения на смежных элементах сети, располаrающихся
в третьем квадранте. Поэтому они называются направлен-
ными орrанами сопротивления. В общем случае возможно
16*
243
расположить диаметр окружности под УI'ЛОМ qJр<<рл для
повышения чувствительности к Rll. Реальная характерис-
тика не проходит через начало координат (рис. 6.6, в, ок-
ружность 1), так как opraH имеет конечную чувствитель-
ность. Поэтому в начале защищаемоrо участка появляется
мертвая зона, при К3 в которой opraH может отказы-
вать в срабатывании. При использовании opraHa для сту-
пеней с выдержкой вреl\1ени мертвую зону можно исклю-
чить, несколько смещая характеристику в третий квадрант
(рис. 6.6, в, окружность 2). Для исключения мертвой зо-
ны у 1 ступени и друrих при отсутствии У них смещения
характеристик используются специальные меры (контуры
«памяти», запоминающие Ир, имевшееся до момента К3,
подпитка напряжением неповрежденных фаз при несим-
метричных К3 и др.).
Характеристика в виде прямой, параллельной оси + R
(рис. 6.6, с). Она отсекает на оси + j отрезок Xc,p==const.
OpraH с такой характеристикой называется opraHoM реак-
тивноrо сопротивления. Первоначально предполаrалось,
что использование таких характеристик будет исключать
вредное влияние на работу защиты Rll' Это, однако, спра-
ведливо только при использовании защиты для линии в
сети с односторонним питанием. При наличии двусторон-
Hero питания (от разных источников) места повреждения
через Rll за счет расхождения по фазе токов 1 р и III (в Rll)
влияние Rп может быть весьма вредным. Рассматривае-
мые opraHbl не MorYT работать самостоятельно, без специ-
альных пусковых opraHoB, так как их не удается отстраи-
вать от наrрузочных режимов. Поэтому в настоящее вре-
мя opraHbl реактивноrо сопротивления в обычном испол-
нении не применяются.
Овальные характеристики, проходящие через начало
координат и обеспечивающие максимальную чувствитель
ность при qJP тах ч==qJл (рис. 6.6, д). Такие и подобные им
характеристики использовались для III ступеней защит
как обеспечивающие лучшую отстройку от рабочих режи-
мов и большую чувствительность, чем у направленных
opraHoB сопротивления (рис. 6.6, б). Для исключения
мертвЫХ зон и повышения чувствительности к Rп приме-
няются те же мероприятия, что и в варианте рис. 6.6, б.
В настоящее время они используются редко.
Четырехуrольная характеристика (рис. 6.6, е). Ее верх-
няя сторона направляется под небольшим уrлом к оси +R
и поэтому близка к характеристике opraHa реактивноrо
244
сопротивления (рис. 6.6, с). Она 0.,'1
вать концы защищаемых зон Т и It жна "четко фиксиро-
енной от реактивных (в OCH BHOM ступенеи и быть отстро-
обусловливающих значительные ) небольших наrрузок,
Zраб для III ступеней. Правая боко реактивные слаrающие
ет отстройку от рабочих режимов вая сторона обеспеЧИБа-
сти ликвидирует недостатки ха ,а также по возможно-
тивноrо сопротивления Лева Рбактеристики opraHa реак-
отстройке от мощносте'й Har я з окоВая сторона помоrает
включения защиты Ни ру ок, передаваемых к месту
. жняя сторона для O p ra 1
проходит через начало коор на ступени
+ R, обеспечивающий ero a :aT и имеет наклон к оси
ниях через Rп; у II и III с/пе при близких поврежде-
на в третий квадрант для ус неи она может быть смеще-
рехуrольные характеристик транения мертвых зон. Четы-
III ступеней защит. часто используются для II и
Некоторые специальные фо
повышения чувствительности If MbI хар ктеристик. Для
быть использованы хаоакте ист ступенеи защит MorYT
ющихся окружностей '(рис Р6 6 и)и в виде двух пересека-
окружности, смещенной в . пер :: или в виде, например,
нии защищаемых участков м" квадранте в направле-
случае необходимо обр линии (рис. 6.6, з). В первом
достаточной чувствител ас внимание на обеспечение
окружностей, во втором учитыва ь MecTffI сопряжения
жет резервировать 1 а во ' что ступень см 0-
Характеристики им зможно, И часть II ступени.
ленностью дЛЯ HO ЫX р испе::нныеu отечественной промыш
линий 1 IO 380 кВ от 'фнии дистанционной защиты
венных защитах, ВЫПО l: Онь ЗНЫХ К3. В HOBЫ отечест-
электронике с использова х на интеrральнои микро-
[15J, для 1 ступени п им:: ем операционных усилителей
рактеристикой, имеющ й фо е: opraH сопротивления с Ха-
Проходящей через начало р у, близку ( ю К окружности,
составлена из трех Д r координат рис. 6.6, и). Она
отрезки, Образованны с :iающихся соответственно на
выполнение, как утверждаютм::очками 1] 2' И з. Такое
Чивает по сравнению с обычно" торы разработки, обеспе-
Времени срабатывания о и окружностью сокращение
формы характеристики п р:а:: и уменьшение искажения
Чинах апериодических и р бличии в подводимых вели-
rающих. Характеристика К ;аеб:;:rльных затухающих сла-
6.6, к) имеет четырехуrольн у ю Ф о р вания II ступени (рис.
ZЗ и Z му С вершинами ZI Z
4, охватывающую начало коо рд и П , 2,
нат.. редусмотре-
245
ны две ступени реrулирования наклона правой стороны:
Ь/а===О,6 и Ь/а==0,3; второй вариант показан пунктиром.
Характеристика срабатывания III ступени (рис. 6.6, л)
имеет форму треуrольника с вершинами !, 2 И 3 (по
следняя в начале координат), что обеспечивает необхо
димую отстройку от наrрузочных режимов при соблюде
нии неплохой чувствительности. Предусмотрены две CTY
пени реrулирования HaKJ,IOHa правой стороны. Для исклю
чения мертвой зоны у 1 и III ступеней предусматривается
общий блок «памяти», формирующий напряжение, вводи
мое в сравниваемую величину, соответствующую точке 3.
Число сформированных величин Н для создания xa
рактеристик с двумя воздействующими величинами ljp и
/р. Число сформированных из одноrо '!.р и одноrо !..Р вели
чин Н (см. rл. 2) для некоторых характеристик c,p===
==f«(f!---;'), приведенных на рис. 6.6, может быть и бо ьше
двух. Так, например, для создания четырехуrольнои xa
рактеристики используются четыре величины !!.! == !:Нl/pX
Х (Z a), H2==kH2/P(Z b), !!.3==':H3!P( ) и H4== H4/PX
Х (Z d) с одйнаковыми арrументами для коэффициентов
k. Поэтому взаимные фазные соотношения между .!! COOT
ветствуют фазным соотношениям между !!.:, !!, .E.
и Z d. Особые точки а, Ь, с и d определяют вершины че
тыpхуrольника.. При нахождении конца p внутри четы
рехуrольника, т. е. в защищаемой зоне, уrол между куай
ними комплексами Н> 180", а при К3 вне защищаемои зо
ны меньше 180°. Рассмотренный принцип впервые опу
бликован в 1963 r. Киатура Конти (Япония). Далее он
был развит А. Б. Витановым (Болrария) и использован
друrими автор ами [1 О, 15].
Сочетание характеристик opraHoB всех ступеней защи
ты. Как следует из изложенноrо, характеристики Zc,p===
===f(Q;p) для разных ступеней защиты с учетом разных Tpe
бований, предъявляемых к их форме, и некоторых друrих
соображений MorYT быть и бывают различными. Дополни
тельное требование к их сочетанию заключается в целесо
образности резервирования области срабатывания каж
дой последующей ступенью предыдущей, а III ступенью
даже первых двух. В существующих исполнениях защит
на электромеханической элементной базе для 1 и II ступе
ней часто использовался общий opraH сопротивления, KO
246
торый В случае несрабатывания 1 ступени автоматически,
например сработавшим opraHoM III ступени, переключался
на характеристику (Toro же вида) II ступени посредством
уменьшения напряжения Ир. В настоящее время при мик
роэлектронной элементной базе особой надобности в эко-
номии ИО, достиrаемой за счет усложнения схемы, обыч-
но не возникает и с учетом изложенноrо выше такое BЫ
полнение перестали применять.
Необходимо отметить, что в некоторых случаях xapaK
теристики opraHoB даются не в комплексной плоскости ,
а в плоскости LR (рис. 6.6, м) или в плоскости проводимо
стей [18].
6.5. ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ OprAHOB СОПРОТИВЛЕНИЯ
OpraHbl должны четко устанавливать зону, в которой
произошло повреждение при любых режимах работы си-
стемы. Поэтому важным требованием, предъявляемым
к ним, является независимость функционирования от аб
солютных значений воздействующих напряжений и токов.
Для реальных opraHbB, имеющих конечное значение поро
ra чувствительности, весьма существенно сохранение это
ro требования при возможно малых значениях Ир и /р.
Для обеспечения независимости функционирования от
значений Ир и /р требуется определенный их выбор и
сочетание; при этом необходимо иметь в виду, что трехфаз
ная система характеризуется тремя фазными напряжения
ми и токами. ИМ соответствуют междуфазные напряже
ния, разности фазных токов и симметричные составляю
щие. Очевидно, что для обеспечения правильной работы
пофаЗНblХ' opraHoB, реаrирующих на К3 в определенной
петле, необходимо использовать полные токи в. этой петле
и сочетать их с соответствующими им остаточными напря
жениями. В связи с этим оказывается необходимым иметь
раЗные сочетания '!р и !р для мноrофазных К3 в одной
точке и однофазных К3. Важно также иметь одинаковые
p=== l!..p/ p при всех расчетных видах К3 в пределах каж
дой из указанных двух rрупп пофазных opraHOB. Особо pe
шается вопрос выбора Ир и /р для действия защиты при
/ч .l) . Ниже предполаrается, ЧтО защита включена на ли-
Нии с двусторонним питанием. Металлическое К3 возни-
247
кает на расстоянии'l от шин подстанции (см., например,
рис. 6.2).
Сочетание Ир и I р при мноrофазных К3. Наилучшим
является соче;ание одноименных междуфазных напряже-
ний и разностей фазных токов. Поскольку должны учиты-
ваться три вида Ю 2 ), используются три пофазных opraHa
со следующими сочетаниями Ир и !р:
орсан 1 Ир==: ИАв,!у==:!А !В===!АВ;
орсан 2 И р === и ВС, J p ==:! ВС;
орсан 3 Ир И С4, !р===!СА. Сопротивление на зажи-
мах, например орrана 2 !Р2 !! ВС!!ВС.
При К(З) будут, очевидно, работать одинаково все три
opraHa и Z 3} == VЗ- 1(З}Zlll VЗ- I(З} ==:zll.
правильно срабатывает при K , так
включенным на Ир И!Р петли 1\3: Z %ke
===zll.
В междуфазных напряжениях и в разностях фазных
токов при Юl,1) составляющие ! о отсутствуют. Поэтому для
Toro же O p raHa 2 П р и K(l,l} И(1,l} == I /(1,l) /(l.l) I Zll И
ве р2 B е
Z (l.l) 1
p2Be===Zl .
Таким образом, рассматриваемое включение, предло-
женное еще в 20-е [оды, обеспечивает, как то и требуется,
одинаковые Zp при всех видах мноrофазных 1\3 в одной
точке с Rn===O для opraHa, включенноrо на величины петли
1\3. Два друrих opraHa работают при этом нечетко.
Сочетание Ир и I р при однофазных К3. Выбор наилуч-
шеrо сочетани-Я !!Р и !Р при K(l) первоначально (в конце
20-х [одов) встретил затруднение. Напряжением и током
петли 1\3 в данном случае являются соответствующие l! I)
н 1 (l), например И(I} и l(l}. Напряжение И(l) == И(1) +
ф A А А кl
+zrlI (l}+И(1) +Z2l!(1}+И(1) +zol!(l). Сумма И(l) +И(l) +
1 K2 2 KO . O K! K2
+ f!. b} равна нулю, как представляющая И I) в месте ме-
таллическоrо 1\3. Для линий Zl ===Z2. С учетом этоrо, пре-
образуя выражение для Чjl} добавлением к нему члеиа
(!.ll!o Zll!o) ===0, получаем !!Я) ===:ll[! l)+ ( o l)!O! l]
И Z I) 3 1l+ ( o l) ljо!!Я}. Таким образом, работа opraHa
с рассматриваемым включением зависит от отношения
!о/{я) , которое в общем случае может колебаться в широ-
При Ю 2 } opraH 2
как оказывается
== 2I(2)ztlf2I<2} ==
248
ких пределах (см. rл. 1), изменяясь от 1/3 при односто-
ннем питании линии до 1, коrда защита оказывается
Р ботающей со стороны трансформатора (автотрансфор-
aTopa) с заземленной нейтралью при отсутствии rенери-
рующих мощностей со стороны друrих ero обмоток. Исклю-
чение влияния lо/Iф на Z I} было впервые предложено,
по-видимому, независимо в 1930 1931 п. в США и Фран-
1J.ии. Сущность предложения непосредственно вытекает из
рассмотрения l! I} ! ll(!ф+ ), [де ===(z..O z..l)/ l. Если
в качестве I р принять не !ф, а !Ф+ !ОJ то &1} ==l!фl)!(!ф+
+НО) -=== ll .оказывается не зависящим при Rn==O для ор-
[ана петлИ 1\3 как от отношения !.o/ }, так и от всех дру-
rих электрических величин в' системе. Два друrих opraHa,
включенных не на петли 1\3, работают нечетко. Дополни-
тельно вводимый ток k10 называется током компенсации,
а коэффициент коэффициенто.« компенсации, при ни-
маемым обычно действительным числом.
Рассматриваемое включение обеспечивает также необ-
ходимые значения p (такие же, как при К(1)) в случае
металлических Ю 1 ,l} для обоих opraHoB, включенных на две
образующиеся петли 1\3, так как для них ч.g. 1 ) имеют те
же значения, что при K(I). Теперь уже только один, третий
opraH работает нечетко. Включение будет обеспечивать
правильную работу opraHoB при ЮЗ), коrда 10==0.
Целесообразные сочетания !!р и !Р при всех видах К3
в одной точке. Рассмотренные выше два сочетания OXBa
тывают все виды 1\3 в одной точке. Для всех мноrофазных
К3 при этом предпочитают использовать первую схему,
включаемую на междуфазные величины. Ее положитель-
ным свойством является исключение влияния взаимоиндук-
ций между цепями линий, а при Ю 1 ,1} исключение
(в Противоположность второй схеме) вредноrо влияния
Основной слаrающей Rn на землю (Rп,з в rл. 1), не входя-
щей в междуфазные петли 1\3.
Необходимые для правильной работы защиты Zp обес-
пеЧивают только opraHbI, включаемые на Ир и I р петель 1\3.
Друrие opraHbI MorYT работать нечетко, имея Zp, большие
или меньшие необходимых. Преувеличенные Zp (что часто
ИМеет место в связи с использованием для них больших
напряжений неповрежденных фаз) не опасны. Преумень-
ШеННые Zp MorYT приводить к излишним срабатываниям
защит при внешних 1\3. Поэтому в общем случае необхо-
249
димо совместное ра смотрение работы всех трех пофазных
opraHoB.
Способы рассмотрения работы пофазных opraHoB,
включенных не на петлю К3. В общем случае при КЗ на
защищаемом участке, используя метод наложения Harpy-
зочноrо режима с фазными раб И !раб на аварийный pe
им КЗ и принимая за особую фазу А, имеем слеДУЮЩие
соотношения: для ТОКОв 1 А ===I А раб+11ав+12ав+10ав; 1 в ===
===аЦ А раб+а211ав+аI2ав+10а в; fе===а1А раб +aJ 1aB +- aЦ2 B +
+loa ; для напрiжениЙ И А И А ;аб (ZlcIlaB+Z2cI2aB+
+ZocloaB); ИВ == а 2 И А Раб (aiZlclla--;;+аZ2J2а +Zос10аJ; Ие==
==аИ Раб (аZlс11;:;'+а2Z2J2ав+Zос10ав)
в этих выражениях c, ;: И oc эквивалентные со-
противления питающей системы со стороны места включе-
ния защиты. Указанные соотношения являются исхо,h,ными
для двух основНых способов рассмотрения вопроса.
ПО первому способу все соотношения рассматриваются
в комплексной плоскости! основной петли КЗ, дЛЯ дейст-
вия при повреждениях в которой предназначен один из
трех opraHoB, например opraH 1 для петли КЗ между фа-
зами А и Е в защищаемой зоне. В этой плоскости opraH
имеет однозначную характеристику C,Pl === f (срр), не зави-
сящую от параметров системы; она определяет работу ор-
[ана и может использоваться для анализа ero поведения.
В частности, она может служить для выяснения поведения
данноrо opraHa 1 при повреждениях в друrих образующих-
ся петлях ЕС и СА. Используя приведенные выше соот-
ношения, определяют для внешних КЗ ZPl == И Ав /1 Ав ; если
конец Zpl попадает в область срабатывания характеристи-
ки Zc,p то opraH 1 срабатывает неправильно.
По второму способу для определения работы, напри-
мер, Toro же opraHa 1 при I(З в друrих петлях (ЕС, СА)
переносят ero характеристику срабатывания с помощью
дробно-линейных преобразований в плоскости , соответ-
ствующие этим петлям. При этом в случае попадания кон-
цов вектора P2 или !РЗ при I(З в петлях ЕС или СА в об-
ласть, охватываемую соответствующей перенесенноЙ
характеристикой opraHa 1, устанавливается факт непра-
вильноrо срабатывания последнеrо.
Можно рассуждать и по-друrому. При перенесении ха-
рактеристик срабатывания opraHoB 2 и 3 в плоскость Z
250
l i
J
raHa 1 представляется возможным оценивать работу
ex трех opraHoB при повреждениях в петле I(З opraHa 1.
На практике часто пользуются первым способом, отве-
lIаюЩИМ действительному функционированию opr,:HoB.
Использование компенсированных напряжении. Под
компенсированными напряжениями, используемыми для
аботы ИО при I(З, обычно понимаются разности остаточ
ыx напряжений петли I(З и произведения тока компенса-
ции на сопротивление Zy уставки ио. При TOM учитыва-
ется, что в случае I(З на rранице защищаемои зоны и Rп===
==0 остаточное напряжение равно паденкю напряже ия
в Zy. Для opraHoB, использующих фазные величины, l!...ф ==
== Иф Zу (lф + k1o) == (Zll Zy) (Iф + k1o) и для opraHoB
с м еждуфазныМ-й вели инами CZ ф Умф у!мф=== ( ll
Zу)lмф.
Вводя понятие компенсированноrо z; и деля все члены
соответственно на 1 ф +k1 0 или 1 мф , получаем для opraHoB
с рассмотренными сочёiаниями !!р и !Р общее выражение
(принимая для l и !:.у одинаковые уrлы) Z; ===zll Zy.
При I(З в защищаемой зоне zll<Zy и opraH срабатывает,
при I(З вне защищаемой зоны zll>Zy и opraH не срабаты-
вает. Можно также давать оценку по выражению (см.
rл. 1) y===sign(zll Zy). Если у<о, opraH срабатывает,
если у>о, opraH не срабатывает. Использование компенси-
рованных напряжений в явном или скрытом виде присуще
большинству применяемых в настоящее время как пофаз-
ных, так и мноrофазных opraHoB.
Сочетание Ир и 1 р для opraHoB с числом воздействую
щих величин п:>2. Это MorYT быть как специальные выпол-
нения пофазных opraHoB (например, Ир! === И А И И РI1 ===
==!! ве y! ве и т. д.), так и трехфазныеорrаныI. Основной
интерес представляют трехфазные opraHbl, которые MorYT
объединять функции нескольких пофазных opraHoB и ис-
Ключать необходимость применения мер по предотвраще-
нию Возможных излишних срабатываний последних. Ком-
пенсированные напряжения, например, MorYT сочетаться
с величиной, пропорциональной току 1 р (см. ниже).
Особенности выбора Ир и 1 р для работы пофазных op
raHOB при K l l). Поврёжденйя Kil l), как указывалось
в rл. 1, практически имеют место, и то редко, только в се-
Тях с изолированными или заземленными через дуrо-
251
rасящие реакторы нейтралями, в которых дистанцион-
ные защиты от K ') не требуются. Поэтому использование
только для K .l) отдельных opraHoB нецелесообраЗНD и не
практикуется. Для работы при K l) обычно применяются
защиты от мноrофазных К3 в одной точке; для возможно-
сти отключения только одноrо места повреждения они вы-
полняются двухфазными., (с Т А в фазах А и С). Рассмот-
рение, проведенное в rл. 1, показывает, что на участках с
!.0===0 для opraHoB целесообразно использовать И мф , а при
!о'*о необходимо применять И ф . Для автоматическоrо пе-
реключения с !:!мф на .!!Ф прiменяется opraH тока, вклю-
чаемый на !р===З !о; учитывая двухфазное выполнение за-
щиты, и при мноrофазных К3 приходится осуществлять
автоматическое переключение ИО на необходимые петли
К3 (см., например, [10).
Учет взаимоиндукции при выборе параметров дистан-
ционных защит. Взаимоиндукция между цепями линий,
прежде Bcero параллельных, близко расположенных на
всем протяжении, может существенно влиять на работу их
защ т (см. rл. 1). Для токовых направленных защит HY
левои последовательности (см. rл. 5) отстройка от взаимо
индукции производится их заrрублением по токам сраба-
тывания. При этом защищаемые зоны и коэффициенты чув
ствительности MorYT сильно уменьшаться. Такое решение
вопроса для дистанционных защит считается неприемле
мым. Остройка от влияния токов 10, ПОявляющихся при
внешних КО) и K(1,l) В заземленной c двух сторон для ре-
Монта цепи (см. рис. 5.18,a), моrла бы производиться кор-
ректировкой тока !о в сформированных величинах opraHoB
сопротивления. Для корректировки работы защиты в рас-
сматриваемом наиболее тяжелом случае, СоПровождаю-
щемся уменьшением Zp, на время ремонта цепи в за
щиту ожет подаваться через дополнительный ТА, вклю-
чаемыи в цепь ее заземления, составляющая 1 TaKoro зна-
чения, которое обеспечивает Zр===Z!л (предложение
К. А. Бринкиса, ОДУ Северо 3апада), или может произ-
во/].иться изменение ее уставки с использованием ножа за-
земляющеrо разъединителя (предложение В. А. Рубинчи-
ка, ЭСП). /
Возможны И преувеличенные замеры, например при ра-
боте двух цепей и К3 на шинах. В зарубежной практике
с учетом этоrо режима предлаrалась компенсация в защи
252
те одной цепи током !о второй цепи. Как было показано
в отечественных работах (см., например, [1), такая ком-
пенсацИЯ в ряде случаев может обусловливать неправиль-
ные срабатывания защит и в отечественной практике не
применяется. При этом учитывается, что в случае работы
двух цепей достаточно быстрое тключение K{l). и Ю1,1) мо:
жет обеспечиваться поперечнои направленнои защитои
(см. rл. 7).
В общем случае представляется нежелательным идти
на сокращение уставки Zy opraHoB защиты 1 ступени. Вы-
бор целесообразноrо коэффициента компенсации нужда
ется в уточнении. Окончательные рекомендации будут, Be
роятно, приняты при внедрении новых отечественных ди-
станцИонных защит от К(1) в эксплуатацию.
6.6. прИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ OprAHOB СОПРОТИВЛЕНИЯ
ДЛЯ осуществления ИО защит от мноrофазных К3 в од-
ной точке приемлемые свойства имеют пофазные opraHbI,
включаемые на междуфазные напряжения и разности фаз-
ных токов. Для защит от однофазных К3 пофазные opra-
ны с токовой компенсацией в отечественной практике не
применяются, так как их работа может сильно зависеть от
Rп в месте повреждения, особенно при учете сдвиrа фаз ис-
точников ЭДС, токов наrрузки. Поэтому ниже основное
внимание уделяется принципам работы opraHOB защит от
К(1) с улучшенными свойствами и рассматриваются только
некоторые вопросы по opraHaM защит от мноrофазных К3.
Мноrофазные opraHbl, предназначенные для работы при
всех КО). В последние десятилетия появились разные раз-
работки по выполнению opraHoB от 1<:0\ обладающих луч-
шими свойствами, чем ранее использовавшиеся opraHbI
с токовой компенсацией. Ниже рассмотрено два их испол-
нения.
OpraH, в основу работы KOToporo положено условие oд
HOBpeMeHHoro контроля трех компенсированных фазных
напряжений и тока 10, разработан французскими специа
листами (М. Суйар 7r др.). Компенсированные И равны
=== (zll Zy) (IA+ k1 0) , И == (zll Zy) (IB+klo) и И ==
=== ll---= }уПlс+ !о) [де ! рас тояние до ме ста метал
Лическоrо К3. OpraH срабатывает, если все четыре указан
НЫе величины располаrаются в одной полуплоскости (рис.
6.7), что соответствует наличию у них одинаковой поляр
253
ности хотя бы кратковременно в течение одноrо полу-
периода. В символах алrебры лоrики условие срабатыва-
ния opraHa можно с учетом этоrо за писать в виде выход-
Horo сиrнала y==и .и .u ( io)+U .и .и . ( io). По-
скольку сиrнал у может появляться кратковременно, на вы-
ходе схемы сравнения должен быть предусмотрен реаrи-
рующий элемент в виде расширителя импульсов. Как мно-
rофазный, opraH не имеет однозначной характеристики
в плоскости Z.
180 G
iJ
I
O
и.' и'
c :A
Рис. 6.7. Случай, коrда компенсированные
напряжения U и ток !...О имеют в течение
полупериода кратковременно одинаковые
полярности
Исследования, проведенные в ЭСП (В. А. Рубинчиком,
С. Я. Петровым и др.), в ИЭИ (Е. А. Аржанниковым) и на
кафедре РЗА МЭИ (Эль-Хадиди, Еrипет), показывают, что
на работу рассматриваемоrо opraHa существенно влияет
уrол расхождения фаз ЭДС [енераторов, что может при-
водить к излишним срабатываниям ero. Поэтому opraH
приrоден в основном для линий распределительных сетей
110 220 кВ. В этих условиях он оказывается обладающим
лучшими свойствами, чем три пофазных opraHa с токовой
компенсацией (!!Р== !!Ф) и {Р== (!ф+ !о). Эта структурная
схема является значительно более сложной, чем структур-
ная схема, определяемая приведенным выше лоrическим
уравнением.
OpraH, в основу работы KOToporo положено условие от-
ставания векторов трех компенсированных фазных напря-
жений от вектора тока 10 на уrол меньше 1800, предложен
в ИЭИ (Е. А. Аржанни овым). Этот opraH по своим свой-
ствам близок к рассмотренному выше, хотя и имеет совсем
друrой алrоритм срабатывания. Имеются и некоторые мо-
дификации opraHa, предложенные тем же автором.
Пофазные щ)rаны, предназначенные для работы при
К3 на землю. Ниже рассматриваются разновидности по-
фазных opraHoB, которые принципиально не подвержены
влиянию расхождения фаз [енераторов.
OpraH, в основу KOToporo положено условие сравнения
компенсированноrо фазнorо напряжения == !!ф !у'><
254
)( (1ф+ !О) с падением напряжения !:уУф+ !о) в момент
перехода {о через нуль, разработан французскими специа-
листами (М. Суйар и др.). Ero работа при включении на
петлЮ КЗ по их данным не зависит от Rп при совпадении
по фазе токов 10 в защите и Rп. При несовпадении
их по фазе такая зависимость появляется. Использ>:я
предложение ЭСП по корректировке работы opraHoB, деи-
ствующих при К(1) на уrол ==аrg(!о/ п), этот недостаток
opraHa можно существенно оrраничить. OpraH с учетом ука-
заннОй корректировки заслуживает внимания, так как ero
работа не зависит от сдвиrа фаз ЭДС [енератора и он по-
этому может быть использован на более длинных линиях
с двусторонним питанием.
OpraH с токовой компенсацией, работа которorо авто-
матически корректируется так, что Zp==x,l независимо от
уrлов расхождения фаз ЭДС, разработан в ИЭИ (Е. А. Ар-
жанниковым). Фазное напряжение в месте включения ор-
[ана при КЗ на землю через Rп при двустороннем питании
Uф==z,1(1ф+k10)+3Rп10П и в схеме с токовой компенсаци-
ей для opraI; , включённоrо на петлю КЗ, p == !!. Ф/ <!. Ф+
+kIo) ==z,1+3Rп10п/(Iф+k10) ==z,l+ Z. Вектор (рис.
б.8Т, искажающий Zp о б р-азует ё осью +R уrол, определяе-
мый аrg10п/(1ф+k1 )==а , [де а==аrg1 0 /(Iф+k1 0 ) и ==
==аrg!оl!.оп. рёактивная слаrающая z,l i;l==[X p
А
в
Zp
l<tj
Рнс. 6.8. Диаrрамма, нллюстри-
рующая соотношения электричес-
Ких велнчин в ио
Рис. 6.9. Диаrрамма, характери-
зующая поведение opraHa полно-
ro сопротивления при качаниях
255
Rрtg(а )]tg<рл/[tg<рлtg(а )]. Уrол а в каждый
момент должен рассчитываться в месте включения защиты
по известным !о и !ф+ !о. Точная фиксация уrла невоз-
можна, так как он зависит от тока 1 оп в месте повреждения
(от параметров нулевой последовательности системы с про-
тивоположной стороны защищаемоrо участка). Однако
приближенное целесообразное значение уrла может быть
задано. Расчет уrла а удобно производить, например, при
микропроцессорной элементной базе.
.Таким путем получается opraH с характеристикой, близ-
кои к opraHY реактивноrо сопротивления, но не подвержен-
ной влиянию расхождения фаз ЭДС [енераторов. Интерес-
но отме!ить, что рассматриваемый opraH по своему прин-
ципу деиствия (не алrоритму), как показано в [51], подобен
рассмотренному выше пофазному opraHY, разработанному
французскими специалистами.
Таким образом, основным преимуществом рассмотрен-
ных пофазных opraHoB для защиты от К(1) является неза-
висимость их работы от расхождения фаз ЭДС и как след-
ствие возможность применения не только в распредели-
тельных сетях 110 220 кВ, но и на линиях значительной
протяженности более высоких напряжений. Выполнение
opraHa п? второму в рианту целесообразно на микропро-
цессорнои элементнои базе. Для обоих вариантов обяза-
тельно применение отдельных opraHoB направления мощ-
ности и избирателей поврежденной фазы, так как opraHbI,
включенные не на петлю К3, MorYT работать неправильно.
Орrаны подвержены влиянию качаний. Все это несколько
усложняет их выполнение.
Мноrофазные opraHbI, предназначенные для работы при
мноrофазных К3. Первый мноrофазный opraH сопротивле-
ния был предложен в 1944 [. на ЧЭА3 (А. М. Бреслером),
а вскоре независимо в Великобритании Варринrтоном.
Реле ЧЭА3 выполнялось на индукционной системе по схе-
ме сравнен..ия фаз двух компенсированных междуфазных
напряжении с М ЭМ == k}1 U AB ZyIAB ,. I U CB ZyI СВ I sin <р.
Напряжения !!АВ, !!СВ и токи !АВ И 1св полност;:Ю характе-
ризуют все междуфазные величины (в том числе И СА и ICA),
а также соответствующие им составляющие прямой ; об-
ратной последовательностей, которые MorYT быть выраже-
ны через них. При этом тот же по принципу действия opraH
характеризуется [1] М ЭМ == k 2 [ (U.2 ZyI2)2 (Ul Zyll)2].
Последнее выражение наrлядно Iiоказы ает, что р абота
256
рассматриваемоrо opraHa не зависит от Toro, между каки-
мИ фазами произошло К(2). Оно же показывает, что при
ЮЗ) И качаниях opraH не работает, так как М ЭМ отрицате-
леН. Рассмотрение работы opraHa показало (см., напри-
мер, [52]), что он обладает направленностью действия, но
неэффективно функционирует при К(I,}} и особенно при
ЮI), а также может быть очень чувствителен к поrрешно-
стям измерительных TV. Таким образом, opraH в рассмот-
ренном исполнении имеет существенные оrраничения по
числу охватываемых видов мнorофазных 1\3 и некоторые
друrие недостатки. В настоящее время перешли на инте-
rральнУЮ микроэлектронную базу, облеrчившую конструк-
тивное выполнение opraHoB. Поэтому opraHbl от мноrофаз-
ных 1\3 paccMOTpeHHoro и улучшенных исполнений, сокра-
щавшие большое число сложных opraHoB в защите, в
настоящее время конкурировать с пофазными орrанами на
новой элементной базе не MorYT.
Мноrофазные и пофазные opraHbI, построенные на ис-
пользовании только аварийнЫХ слаrающих напряжений
И токов. Под аварийными слаrающими, как указано в rл. 1,
понимаются величины, представляющие векторную раз-
ность величин после возникновения повреждения и в до-
аварийном режиме: !.ав==!.к ---"'-- !.раб. в rл. 1 рассматрива-
лись полные аварийные слаrающие фаз и их составляющие
прямой, обратной и нулевой последовательностей. На ка-
федре Р3А МЭИ в 1977 [. (Ю. А. Барабановым) были пред-
ложены и разработаны измерительные opraHbI направле-
ния мощности (см. rл. 5) и сопротивления для дистанцион-
ной защиты, использующие как полные аварийные
слаrающие (для пофазных opraHOB), так и их составляю-
щие, например обратной последовательности (для MHoro-
фазных opraHOB). Позже подобное же предложение было
независимо изложено М. Суйаром (Франция). Характери-
стическая величина для этих исполнений Zp == и ав/ 1 ав по
Построению соответствует opraHY сопротивления, однако,
как показывает анализ, они работают подобно opraHaM
направления мощности. Поэтому для создания opraHoB 1
и II ступеней защиты, имеющих фиксированные сопротив-
ления срабатывания, необходимо применять определенные
мероприятия. OpraHbI сопротивления, выполненные пол-
ностью на аварийных слаrающих, на практике не применя-
лись, в частности с учетом некоторых трудностей, возника-
ЮЩих при осуществлении точной фиксации конца защи-
щаемых зон.
17 855 257
Аварийные слаrающие широко используются для осу-
ществления в дистанционных защитах специальных пуско-
вых opraHoB блокировок от качаний.
Односистемные (мноrофазные) opraHbl. Односистемны-
ми, как было определено в rл. 5 для токовых защит, при-
нято называть схемы включения на ИП (ТА, TV), иМею-
щие один измерительный opraH, действующий при всех
расчетных видах К3. Прцменительно к дистанционным за-
щитам такой opraH отличается от рассмотренных выше
мноrофазных opraHoB тем, что к нему в зависимости от ви-
да повреждения с помощью специальных пусковых opraHoB
подводятся необходимые Ир и /р, соответствующие петлям
К3. Поэтому односистемные opraHbI нецелесообразно на-
зывать мноrофазными (как это иноrда практикуется).
Простейшими пусковыми орrанами являются макси-
малыше реле тока, устанавливающие вид К3. Такие opra-
ны начали применяться в отечественной практике в 1931 r.
при Ином 35 кВ. Эти opraHbI, особенно для защит сетей
с И ном >35 кВ, вскоре перестали удовлетворять своему на-
значению. MHoro внимания удел ял ось вопросам разработки
односистемныIx защит с пусковыми орrанами сопротивле-
ния [2}. Однако на электромеханической элементной базе
рассматриваемые opraHbI оказались неперспективными,
в частности из-за необходимости осуществлять переключе-
ния в токовых цепях, по которым проходят большие токи
К3. Лучшие результаты были достиrнуты в Польше
Ю. Врублевским, MHoro сделавшим для внедрения полу-
проводниковой техники, в частности применившим для ре-
шения рассматриваемоrо вопроса макси- (для токов) и
мини- (для напряжений) селекторы. В дальнейшем в связи
с внедрением интеrральной микроэлектронной элементной
базы вопрос сокращения числа измерительных opraHoB в
схемах дистанционных защит потерял свою остроту. В на-
стоящее время в связи с начавшимся применением микро-
процессорной элементной базы (проrраммных защит) встал
вопрос об упрощении проrрамм, о своеобразной, как бы
односистемной, их реализации.
6.7. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УСТРАНЕНИЮ МЕРТВЫХ ЗОН
У opr АНОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ
В рассмотренных направленных защитах (см. rл. 5),
включенных на полные напряжения и токи фаз, opraHbl
направления мощности при 90"-ной схеме имеют мертвые
258
ЗОНЫ только при металлических К(З), коrда все напряже-
ния MorYT быть близки к нулю. Направленные opraHbI со-
противления 1 ступени защиты при тех же условиях так-
же имеют мертвые зоны. Однако некоторые исполнения
направленных opraHoB сопротивления MorYT иметь мерт-
вые зоны и при несимметричных К3, например при исполь-
зованиИ одноrо !!р и одноrо !р, соответствующих петле К3.
Для устранения мертвых зон может быть использован ряд
мероприятий (частично указанных выше) охват обла-
стью срабатывания зоны около места включения защиты
(для II и III ступеней), подпитка от напряжений непо-
врежденных фаз (при несимметричных К3) [52], приме-
нение ненаправленных токовых отсечек. Мноrие известные
разновидности мноrофазных opraHoB сопротивления, пред-
назначенных для работы при несимметричных К3, мерт-
вых зон вообще не имеют. Устранение мертвых зон 1 сту-
пеней при ЮЗ) обычно осуществляется специальными уст-
ройствами памяти в сочетании с токовыми отсечкuами.
Известно несколько способов выполнения этих устроиств.
Два лучшие из них рассмотрены ниже. Первый предложен
в НПИ Л. И. [утенмахером и А. Д. Дроздовым и незави-
симо в Великобритании Варринrтоном; второй, более
предпочтительный в ТПИ Р. А. Вайнштейном и
А. П. Пушковым.
Осуществление первоrо способа связано с выполнени-
ем opraHa сопротивления. Однако вне зависимости от ви-
да последнеrо в устройстве имеется контур RLC, к кото-
рому при нормальной работе подводится напряжение И вх ,
определяемое И раб . Контур наС11раивается на резонанс при
рабочей частоте (50 [ц). Этом у удовлетворяет условие
<о == 2лj 314 Vl/LC (R/2 L)2. При К3 И ВХ снижается
в пределе до нуля, в контуре возникает колебательный
разряд (R<2 V ЦС) с частотой ер; проходящий при этом
ПО контуру затухающий колебательный ток i == i нач sin (<ot +
+([!) e t/T , имеющий частоту предшествовавшеrо рабочеrо
режима <о, используется для работы opraHa. Постоянная
времени затухания тока Т==2 L/R должна быть для этоrо
достаточной. Однако в защите может оказаться необходи-
мым относительно длительное пребывание opraHa в конеч-
ном состоянии, коrда требуемое трудно создать. Кроме
Toro, при значительных Т, как указывается в литературе.
Возможно неправильное функционирование некоторых ор-
raBoB из-за изменения действительной частоты по сравне-
нию с заданной <о.
17* 259
При втором способе используется дополнительное пита
иие памяти током с частотой проходящеrо через opraH TO
ка /р. Для устранения недостатков первоrо устройства
используется ТОлько начальная фаза затухающеrо тока.
В дальнейшем напряжение памяти изменяется с частотой
тока КЗ и устройство получает энерrию от цепей ТОка op
raHa. В результате напряжение памяти можно считать
вообще незатухающим. Возможен также подхват KpaTKO
BpeMeHHoro действия к6нтура памяти, например ступеня
ми защит, имеющими характеристику Zc,p==f(qJp), смещен
ную в третий квадрант плоскости Z.
При микропроцессор ной элементной базе устранение
мертвых зон решается, как и друrие вопросы, проrраммно.
6.8. ПОВЕДЕНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ ПРИ КАЧАНИЯХ
И АСИНХРОННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
Анализ поведения токовых направленных защит в рас-
сматриваемых режимах приведен в rл. 5. Работа дистан
ционных защит прежде BcerO зависит от поведения opra
нов сопротивления и часто определяется сопротивлением
на их зажимах Zp==Upl/ p . Наличие при качаниях зависи-
мостей и р и /р от уrла б между векторами эквивалентных
ЭДС reHepaT opoB (см. rл. 1) дает ВОЗМОЖНОСть определе
ния Zр==f(д), а зависимость (j==f(t) позволяет построить
и Zp==f(t).
Примерные зависимости Zр==f(д) для различных TO
чек сети приведены на рис. 6.9. При д, близких к 1800
у электрическоrо центра системы Ц Zp, как и напряжение
и" оказывается равным нулю. С удалением рассматривае-
мой точки линии от электрическоrо центра (который сам,
например при неоднородных сопротивлениях элементов
системы, при изменении д перемещается вдоль .'lинии или
может оказываться внутри эквивалентных частей систем)
предел снижения для нее Zp уменьшается (кривые Zp для
точек А, В и В). OpraH сопротивления срабатывает при
Zp<;:Zc,p. Для opraHa полноrо сопротивления Zc,p не зави
сит от ЧJр, а следовательно, и от д и изображается прямой,
параллельной оси д. Принимая для защит подстанций А,
В и В Zc,p одинаковыми, можно сделать вывод, что при Ka
чаниях срабатывает только opraH сопротивления В. С YBe
личением Zc,p и уменьшением времен срабатывания ступе-
ней защит ВОЗМОЖНОСть ложных действий защит возраста-
ет. Последние, III ступени защит обычно имеют t IlI >
260
>2'-;--3 с, и их ложные действия при качаниях маловероят-
НЫ. Необходимо, однако, отметить возможную значитuель-
ную продолжительность первых периодов качании и
последних при втяrивании в синхронизм, при которых мо-
ryT быть ложные срабатывания и III ступеней. Наиболее
верОЯТНО ложное действие при качаниях 1 ступеней, как
имеюЩИХ t'<O,1 с. Однако и II ступени, часто имеющие
tIl 0,5 с, также MorYT срабатывать ложно.
Более сложными являются соотношения при наложе-
нии качаний на КЗ. Анализ показывает, что и в этих усло-
виях также возможны излишние действия защит и их от-
казы. Поэтому на практике дистанционные защиты сетей
с несколькими источниками питания обычно снабжаются
специальными устройствами, имеющими назначение
предотвращать их ложные и излишние срабатывания при
'качаниях и асинхронных режимах и называемыми блоки-
ровками при качаниях.
Одними из первых работ, посвященных рассмотрению
поведения защит при качаниях, явились исследования,
проведенные в начале 30 x rодов лабораторией
им. А. А. Смурова (Р. С. Зурабов и др.). В последующие
rоды разработка мероприятий по улучшению работы за-
щит при качаниях проводил ась в Советском Союзе энерrо-
системами, СРЗиУ ТЭП, ВНИИЭ и ВНИИР.
6.9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОй ПЛОСКОСТИ ДЛЯ АНАЛИЗА
ПОВЕДЕНИЯ OprAHOB СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ КАЧАНИЯХ
Наrлядным и удобным для анализа поведения opraHoB
сопротивления с одноименными одним Ир и одним /р при
качаниях является использование комплексной плоскости,
в которой MorYT быть сопоставлены характеристики Zc.p==
===f(qJp) с сопротивлениями на их зажимах в рассматри-
Ваемых режимах. Некоторые положения этоrо метода бы-
ли предложены в 1940 1941 rr. в МЭИ Н. А. Моралевым
(см. rл. 1). В дальнейшем пояВились работы, содержащие
ero всестороннюю разработку. Эквивалентная схема сети
Приведена на рис. 6.10, а. Защита включена на линии АВ
СО Стороны подстанции А. Сопротивление !Р== '!..p/{p==
===!!AI!yp== @А !A {yp)l!yp == (J?.AI!yp) A; ток /ур==
== [ A EB )/Z == (ЕА (1 EB е iб IEA )]IZ (Ев прин ма-
ется отста ющеЙ от Е-;' на уrол д). Уч-Итывая эт-И соотноше-
НИя, получаем !p==[ 1(1 B е iб IJ?.A) ] ZA.
261
Для ряда приближенных расчетов можно полаrаТh
ЕА==Ев. В этом случае выражение для Zp значительно
упрощается (см., например, [2]) и приобрёТает вид Zp=-
==0,5 Z 0,5 jZ ctg б/2 ZА. Последнее выражение явля
ется уравнением окружности 'р==f(б) (рис. 6.10, б) с
центром, расположенным на прямой, совпадающей с комп
лексом Z ; при ЕА <Ев Э'F,от центр располаrается в треть-
ем квадранте и при EA>EB В первом. Оно представляет
собой уравнение прямой как частный случай окружности
{А А Б Ее
............ lyp
ZЛ
Z", 0.) Zt
Рис. 6.10. Использованне комплексной плоскостн для анализа работы
opraHa сопротивления при качаниях
с радиусом, равным бесконечности. Эта прямая проводит
ся перПеНДИКУЛЯрНО прямой комплекса Z в ero сереДИНе.
Построение комплексной диаrраммы:- необходимой для
анализа работы защиты при качаниях, производится, на-
пример для случая Е А ==Е в , В следующей последователь
ности (рис. 6.1 О, б): за начало координат принимается ме-
сто включения защиты (точка А на рис. 6.10, а); строится
ломаная линия суммарнorо сопротивления . При этом
сопротивления рассматриваемой линии л и следующих за
ней элементов Z в располаrаются в первом квадранте, а
остальной части системы ZA в третьем; проводится пря-
мая 0'0" rеометрическоrо места концов комплексов p
при качаниях перпендикулярно середине прямой E;
строится характеристика срабатывания рассматриваемоrо
opraHa (на рис. 6.11 В ВИДе примера даны характеристи-
262
рис. 6.11. Диаrрамма, характеризу
ющзя поведение opraHa сопротивле
ниЯ прн качаниях
+j
ки, исходя из уставок, соответ-
ствующих одной и той же за-
щищаемой зоне: 1 opraH
полноrо сопротивления; 2
направленный opraH сопротив
ления; 3 opraH реактивноrо
сопротивления); определяются
точки пересечения характери
СТИК реле с линией 0'0". Эти
точки определяют предельные
уrлы б сдвиrа фаз эде, начи
ная с ,которых opraHbl срабаты
вают, так как линия 0'0" мо-
жет рассматриваться как линия нулевых потенциалов, а
эде как расстояния от ее точек до концов Z . Так, на-
пример, opraHbl полноrо сопротивления срабатывают при
уrлах б, находящихся в пределах б' б".
Из диаrраммы следует, что из рассматриваемых opra-
нов наиболее подвержен влиянию качаний (работает в
большом диапазоне уrлов б) opraH реактивноrо сопротив
ления и наименее направленный opraH сопротивления.
Обобщая это положение, можно сказать, что подвержен
ность влиянию качаний возрастает с увеличением в комп-
лексной плоскости области срабатывания реле в направ
лении линий нулевых потенциалов.
+
о"
6.10. пРинцИrlы ВЫПОЛНЕНИЯ устРойСТВ, ПРЕДОТВРАЩАЮЩИХ
ЛОЖНЫЕ И ИЗЛИШНИЕ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТ ПРИ КАЧАНИЯХ
К устройствам предъявляются требования предотвра-
щения срабатывания защит при качаниях, не сопровожда-
ющихся К3, и при внешних К3, сопровождающихся кача
ниями; при возникновении К3 на защищаемом участке в
процессе качаний, а также при отсутствии качаний устрой-
ство не должно препятствовать срабатыванию защиты.
В 30 x rодах было предложено MHoro принципов и схем
для рассматриваемых устройств. Однако мноrие из них
из за сложности требований оказались недостаточно эф
фективными. Лучшие из схем, получивших широкое
использование на практике, являются результатом успеш-
ной работы отечественных релейщиков.
263
Применяемые в настоящее время устройства MorYT
быть разделены на две основные rруппы:
выполняющие пуск защиты на время, достаточное ДЛЯ
срабатывания ее ступеней при КЗ в защищаемой зоне
в слу;,ае появления в системе хотя бы KpaTKOBpeMeHH
аварииных слаrающих (например, составляющих обрат
ной последовате.1JЬНОСТИ);
использующие раЗ.lичие скоростей изменения действу
ющих значений электри.ческих величин (токов напряже
ний) при КЗ и качаниях.' '
Устройства первой rруппы (см. Э 6.11), выполняемые
в соответствии с предложением, данным в 1938 [. в СРЗиУ
ТЭП (А. Б. Барзамом) , в Советском Союзе получили ШII
po oe пр именение. Бо.lьшая заслуrа в деле эксплуатацион
нои проверки этоrо принципа принадлежит Уралэнерrо.
Устройства второй rруппы (см. Э 6.12) обычно ВЫПОk
няются по принципу, впервые предложенному в 1934 [.
Донэнерr (О. П. Сусловым), с двумя пусковыми opraHa
ми разнои чувствительности. Возможны и модификации
этоrо принципа, например с одним opraHoM с двумя BЫXO
дами, дающими одновременно две сдвинутые характерис
тики .!c,p==f(<pp).
Исследов ия и опыт эксплуатации устройств первой
rруппы в СССР выявили определенные их достоинства,
хотя в ряде друrих стран они не получили распростране
ния. В зарубежной практике широкое применение получи
ли схемы второй rруппы.
6.11. УСТРОЙСТВА, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ЗАЩИТУ ПРИ ПОЯВЛЕНИИ
АВАРИЙНЫХ СЛАrАЮЩИХ НА ВРЕМЯ, ДОСТАТОЧНОЕ ДЛЯ ЕЕ
СРАБАТЫВАНИЯ
Устройства данной rруппЫ удовлетворяют основным
требованиям (см. Э 6.10) за счет следующих особенностей
выполнения. Предотвращение ложноrо срабатывания за
щит при качаниях без КЗ или после отключения КЗ обес
печивается пуском защиты только при хотя бы KpaTKOBpe
менном появлении аварийных слаrающих. Предотвраще
ние их излишнеrо срабатывания при внешних КЗ, сопро
вождающихся развивающимися качаниями, достиrается
ВЫВОДом ступеней защиты из действия через минимальное
время, достаточное для их срабатывания, с учетом Toro,
что в начале процесса КЗ уrлы расхождения векторов
ЭДС [енераторов невелики и возрастают постепенно; при
264
этом пока ступень защиты (первая, часто вторая) BBeдe
на в действие, расхождение фаз ЭДС не успевает достиr
нуть опасных значений. Для последних ступеней защиты,
/lмеюЩИХ значительные выдержки времени, это устройст
во менее эффективно. .
Защита, выведенная из действия рассматриваемым
устройством, например при внешнем КЗ, после ликвида
цИII этоrо КЗ должна по возможности быстро быть вновь
rOTOBa к срабатыванию; это необходимо для обеспечения
ее дейстВИЯ в случае возникновения HOBoro КЗ, но уже на
защищаемой линии. Разработанные схемы в лоrической
части отличаются способом их возврата в исходное поло
жение (см., например, [10]).
Первая разработанная в СРЗиУ ТЭП (А. Б. Барзамом)
схема обеспечивает [отовность к повторному действию без
замедления после ликвидации причин действия. Однако
она может давать защите возможность излишне срабаты
вать при неуспешном действии АПВ на смежных участках
сети (коrда повторное включение происходит на HeYCTpa
ненное повреждение) и успевшем к этому моменту воз-
никнуть опасном расхождении фаз ЭДС [енераторов. При-
меры этому приведены, например, в работах В. А. Семено-
ва (ЦДУ СССР). Поэтому в настоящее время признан
более целесообразным вариант схемы, разработанной в
том же СРЗиУ ТЭП [. И. Атабековым и Я. М. Смородин
ским. В эТОй схеме [отовность к повторному действию за
щиты происходит через время, большее максимальных
выдержек времени защит сети (с учетом действия АПВ).
Это мероприятие устраняет недостаток первой схемы, но
может существенно задержать срабатывание защиты при
повторном КЗ уже на защищаемом участке. Этот недоста-
ток считается допустимым, если линия имеет основную
быстродействующую защиту, не требующую блокировок
от качаний. Так часто и выполняются блокировки дистан-
ционных защит сети с иHOM 220 кВ. В новых дистанцион
ных защитах, разработанных ВНИИР дЛЯ сетей высоких
и сверхвысоких напряжений [15], рассмотренный HeДOCTa
ток BToporo варианта частично устраняется дополнитель-
Ным, более rрубым пусковым opraHoM аварийных слаrаю
щих, отстроенным от внешних КЗ. ОН разработан и BBe
ден в практику ВНИИР [15].
Недостатком рассматриваемых вариантов схемы бло-
кировок также считался первоначально имевшийся пуск
по Составляющим 12 и и 2 , отстраиваемый от небалансов
265
:1
i;
фильтров и от составляющих обратной последовательно-
сти, определяемых наличием в сети несимметричной на-
rрузки (например, тяrовой на переменном токе); это за-
rрубляет пуск. Кроме Toro, 12 и и 2 при КЗ в конце защи-
щаемой зоны MorYT быть малы, а при ЮЗ) возникающая
несимметрия может быть очень кратковременной, иноrда
(практически очень редко) по существу отсутствующей.
В настоящее время ПУТfМ использования не 12, и 2 , а их
аварийных слаrающих с добавлением пуска по аварийной
слаrающей прямой последовательности или применения
полных аварийных слаrающих рассматриваемый недоста-
ток при использовании новых элементных баз является
устраненным. Поэтому в но-
вом исполнении данная бло-
кировка является наилуч-
шей из существующих и ис-
пользуется в новых отечест-
венных защИтах.
Выполнение блокировки.
Возможная структурная
схема блокировки дана на
рис. 6.12. Она ИМеет малое
число opraHoB пусковой
ПО, выдержки времени бло-
кировки В 1, выдержки вре-
мени де блокировки В2 и не-
которые элементарные ло-
rические opraHbI ИЛИ 1,
ИЛИ2, Иl, И2, НЕl и НЕ2; однако их взаимодействие
ориrинально. Ниже сиrналы на выходе обозначены: ПО
х,Вl Хl,В2 Х2,ИЛИ2 хз и блокировки в целом
у. При этом работа схемы в символах алrебры лоrики (см.
rл. 1) представляется в виде (см., например, [11]) у===
== (Х+У)Хl и ХЗ==Х+У+Х2'ХЗ'
До включения устройства в целом в работу все сиrна-
лы отсутствуют, у===О и оперативный ток на цепь отключе-
ния защитой выключателя не подается. Нормальный ре-
жим: Х===О, х+у===О, Хз===О и оперативный ток на ту же
цепь также не подается. Качания, которым не предшест-
вовало появление на ПО аварийных слаrающих: опера-
тивный ток не подается, как и при нормальной работе.
Короткое замыкание в сети: появляются аварийные сла-
rающие, срабатывает ПО, Хl == 1, Хз== 1, у== 1 (разрешает-
ся действие защиты), пускаются opraHbI Вl и В2; через
Рис. 6.12. Структурная схема
блокировки при качаниях с
возвратом через заданное вре-
мя
266
вреМЯ iбл, достаточное ДЛЯ срабатывания, например..!, 1 ету-
пени защиты, действует Вl, появляется Xl===l, но Xl===O и
у===О (оперативный ток с защиты снимается), однако cHr-
наЛ ХЗ сохраняется даже при К(3), так как было Хз === 1 и,
следовательно, Х;ХЗ === 1; защита остается выведенной из
действИЯ, так как Хl === 1 и у===О; через время iдебл сраба-
тывает opraH В2 и Х2 === 1; opraHbI времени В 1 и В2 возвра-
щaюTcя в начальное состояние (Хl===О, Х2===О) и вся схема
блокиРОВКИ приходит в исходное состояние.
Для быстрой деблокировки защиты при повторных КЗ
к схеме, по предложению ВНИИР [15], добавляются более
rрубые по (на схеме не показаны).
Осуществление пусковых opraHoB блокировки при Ka
чаниях. Первоначально использовавшиеся пусковые opra-
ны (ПО), включаемые на 12 или и 2 , имели отмеченные
выше недостатки. Были известны разработанные в СРЗнУ
ТЭП (Ю. А. [аевенко) [52] принципиально болuее совер-
шенные opraHbI, включаемые на полные аварииные сла-
rающие фазных величин (трехсистемный opraH). OДHaK
их конструктивное выполнение на электромеханическои
элементной базе было сложно. В 60-е rоды во ВНИИЭ
(А. М. Левиушем) был разработан ПО, использующий
аварийную слаrающую напряжения или TOK только об-
ратной последовательности (односистемныи opraH). Он
оказался простым и получил применение [48]. В послед-
нее время для новых дистанционных защит, как указыва-
лось ВЫШе, ВНИИР (Э. М. Шнеерсон и др.) в содружестве
с друrими орrанизациями для полноrо исключения воз-
можности отказов защиты при симметричных К(З) реше-
но добавлять к ПО часть, реаrирующую на аварийную
слаrающую прямой последовательности [15].
Для обеспечения пуска защиты при быстром повтор-
ном КЗ (в защищаемой зоне), коrда защита еще заблоки-
рована добавляются более rрубые opraHbI тех же испол-
нений. 'Это не вызывает особых затруднений при микро-
электронной элементной базе. При микропроцессор ной
элементной базе просто осуществляются и ПО на полных
аварийных слаrающих, впервые реализованные ВНИИЭ
(Я. С. rельфанд и Л. С. Зисман).
6.12. УстройСТВА, ОТКЛЮЧАЮЩИЕ ЗАЩИТУ ПРИ КАЧАНИЯХ,
С ДВУМЯ ПО РАЗНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Работа устройств основана, как указывалось, на раз-
ном хдрактере изменения во времени электрических вели-
чин при К3 и качаниях. В первом случае, например,
действующие значения. токов, сопротивлений изменяются
скачкообразно, практически почти MrHOBeHHo от рабочих
значений до значений при К3 (рис. 6.13, а), во втором
плавно (рис. 6.13,6). Поэтому, используя, например, два
opraHa сопротивления разной чувствительности, при К3
получают практически одновременное их срабатывание,
а при качаниях сначала срабатывает более чувствитель-
ный opraH с ZCP,l, отстроенный от ZpaC>min В рабочих режи-
мах, и только через небольшое время более rрубый
с ZC,P2<Zc.Pl (opraHbl минимальные). Последнее оБСТ8Я-
тельство и используется для блокирования защиты.
Получающиеся соотношения при качаниях для opraHoB
с одним Ир и одним /р часто бывает удобно рассмотреть
в комплексной плоскости сопротивлений (рис. 6.13,8).
Например, при использовании для защиты участка АБ
сети направленных opraHoB сопротивления 1 и 2 для 1/1 и
1/ ступеней соответственно с Z'" 1 И Z" ? при качаниях
с.Р с.Р_
(в предположении равенства абсолютных значений ЭДС)
получаем следующее: в момент, коrда уrол между ЭДС
оказывается больше или равен бl, срабатывает opraH 1;
уrол б продолжает увеличиваться и точка нулеВ0rо потен-
циала скользит по прямоЙ 0'0/1, перпендикулярной Z
z
z
lp1
lp2
а) t Мамен':
8сзнu.кна8енuя кз
Рис. 6.13. Диаrрамма, поясняю-
щая работу блокировок при ка.
чаниях с двумя орrанами разноЙ
чувствите ьности
+Н
8)
268
системы в ero середине. Через некоторое время, определяе
мое скольжением, уrол между ЭДС становится равным б'l'
и срабатывает opraH 2. Наличие конечноrо времени пере
мещения точки нулевоrо потенциала от места с б' до Me
ста с б" может использоваться для блокирования защиты.
Основным недостатком рассматриваемых устройств
является невыполнение своей функции при качаниях, раз-
вивающихся в процессе недостаточно быстро отключае-
мых внешних К3. Поэтому при практическом осуществле-
нии блокировки ее пришлось бы дополнять устройствами,
подобными рассмотренному выше (см. 6.11). С учетом
изложенных требований к блокировкам, существующим в
отечественной технике, а также хороших показателей со-
временных устройств первой rруппы данное выполнение в
настоящее время распространения не имеет.
6.13. ПУСКОВЫЕ oprAHbI ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
В общем случае пусковые opraHbI MorYT выполнять ряд
функций: подавать на дистанционные opraHbI Ир и lр, со-
ответствующие сочетанию поврежденных фаз (например,
при односистемном выполнении защит), обеспечив ть сра-
батывание на отключение только opraHa сопротивления,
правильно устанавливающеrо место возникшеrо К3, обес-
печивать начало работы части микропроцессорной систе-
мы, устанавливающей место К3, и некоторые друrие.
Простейшими ПО, например односистемных защит для
сетей с Ином 35 кВ, являются opraHbI тока. Они выполня-
ют также функции III ступеней защит (при необходимос-
ти в сочетании с орrанами направления мощности). Иноrда
функции ПО выполняют opraHbI сопротйвления III сту-
пеней защиты. В ряде случаев ПО оказываются не нужны-
ми и срабатывание защит разрешается устройствами бло-
кировки при качаниях; в некоторых случаях ПО последних
MorYT выполнять и отдельные функции защит.
Основной и наиболее сложной из перечисленных задач
OpraHoB является выделение (если требуется) измеРИТе.'IЬ-
Horo opraHa, правильно фиксирующеrо место возникшеrо
к.з. В отечественной практике функции выделения по-
Врежденной фазы выполняются устройством ОАПВ при
ИСПользовании па линиях однофазноrо отключения. ДЛЯ
линий с двусторонним питанием применяются избиратели
ПQврежденной фазы в виде opraHoB сопротивления, разра-
ботанные по первоначальному предложению ВНИИЭ
i!69
(П. к.. Фейст), или фильтровые избирательные opraHbl,
разрабатывавшиеся в СРЗиУ ТЭП и ЭСП по предложени-
ям В. М. Ермоленко и друrих и в РПИ (В. Л. Фабрикант).
Здесь они не рассматриваются.
6.14. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЛОЖНОro ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ ПРИ
НАРУШЕНИЯХ ИХ ЦЕПЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
При рассмотрении 'влияния нарушений питания цепей
напряжения на работу дистанционных защит различают
два возможных случая их выполнения:
защиты с ПО тока, имеющими 1 с,а > 1 рабтах (сети с
UKOId 35 кВ), или устройствами, разрешающими им ра-
ботать только при наличии токов обратной или нулевой
последовательности (например, устройствами, предотвра-
щающими неправильные срабатывания при качаниях,
с пуском от аварийных слаrающих тока);
защиты с ПО сопротивления (обычно сети с ИИОМ
11 О кВ).
в первом случае, как и при токовых направленных за-
щитах (см. rл. 5), достаточно иметь только сиrнализацию
о нарушениях. Во втором случае с учетом Toro, что opra.
ны сопротивления имеют l с ,ртill<lрабтах и некоторые их
исполнения MorYT работать при Ир==О, требуется быстрое
автоматическое выведение защиты из работы. Быстрота
этоrо выведения должна быть такой, чтобы 1 ступень, дей-
ствующая без выдержки времени, не успела сработать на
отключение выключателя.
Наилучшие по принципу работы устройства (блоки-
ровки) для автоматическоrо выведения защит были пред-
ложены fрузэнерrо (f. [. к.останян и [. Е. Туркия) В 40-е
rоды применительно к TV, имеющим две вторичные об-
мотки. Практически у TV 35 кВ и выше они всеrда имеют-
ся (одна соединяется в звезду, вторая в разомкнутый
треуrольник для получения напряжения 3 И о). Действие
устройств основано на сравнении напряжений двух вто-
ричных обмоток.
На рис. 6.14 приведена схема TaKoro устройства, раз-
работанная ТЭП (В. Н. Вавин). На рис. 6.14, а приведен
при мер схемы включения TV, на рис. 6.14, 6 соответст-
вующая этой схеме диаrрамма напряжений, на рис.
6.14, в схема устройства и ero включение и на рис.
6.14, е векторная диаrрамма токов, поясняющая работу
устройства.
270
Четырехобмоточный промежуточный трансформатор
TL имеет две первичные обмотки и одну компенсацион
ную, подключаемые к цепям напряжения TV через доба
вочные резисторы. Ко вторичной обмотке трансформатора
TL через выпрямитель VS присоединен реаrирующий эле
мент KV.
Сопротивление резистора RA должно быть меньше
(или больше) одинаковых сопротивлений резисторов RB'
ABCNHUK
свА
С
а) 11
SF1
А В С N U Н
; R A 1
8) 10
Рис. 6.14. Устройство для предотвращения ложных срабатываний Зd-
ЩИТ при нарушениях цепей напряжения
Rc. Поэтому при симметрии напряжений И А , Ив, И С токи
в этих сопротивлениях не одинаковы, чтО' и пока3ано на
векторной диаrрамме на рис. 6.14, е, соответствующей
УСЛовию RA<RB==Rc. При RA>RB==Rc ток lN, равный
rеометрической сумме токов lА, l в , l с , имел бы противопо
ЛОЖное направление.
В условиях нормальноrо режима работы при исправ-
НЫХ вторичных цепях TV СОВПадающие по фазе, но встреч-
НО направленные в первичных обмотках трансформатора
271
TL токи lN (назван условно) и IAD. создают в сердеЧНИке
TL взаимно уравновешивающиеся МДС. Вследствие ЭТО-
ro отсутствуют маrнитнЫЙ поток в сердечнике TL и ток в
KV. Создаваемые токами !N и !At:>. МДС будут таКЖе
уравновешиваться при любых нарушениях симметрии на-
пряжений со стороны I]ервичных обмоток трансформ тора
напряжения, не связанных с появлением напряжении ну-
левой последовательности.
При появлении напряжения нулевой последовательно-
сти на стороне высшеrо напряжения TV (например, при
ЮI) равновесие МДС в сердечнике трансформатора TL
нарушается. Ero восстановление обеспечивается с по-
мощью компенсациониой обмотки трансформатора TL,
включаемой в цепь 3 И о через добавочный резистор R2.
При обрыве одной или двух фаз в цепи напряжеиия
защиты появляется напряжение нулевой последовательно-
сти и изменяются значение и фаза тока в обмотке транс-
форматора TL, включенной в нулевой провод. Вследствие
этоrо нарушается равновесие МДС и в сердечнике транс-
форматора TL появляется маrнитный поток. Это приводит
К срабатыванию KV, который выводит из действия защи-
ту и дает сиrнал о неисправности цепей напряжения.
При отключении автоматическоrо выключателя TV
или при обрыве «нуля» снимается питание с обмотки TL,
включенной в нулевой провод. При этом блаrодаря нали-
чию питаиия на первичной обмотке трансформатора TL,
подключеиной через резистор R 1 к дополнительной обмот-
ке трансформатора фазы А, также нарушается равновесие
МДС и срабатывает KV. Устройство без замедления рабо-
тает при всех видах К3 в цепях напряжения, за исключе-
нием К3 на фазах Бе. В последнем случае оно подейст-
вует после срабатывания автоматическоrо выключателя
TV. Блаrодаря наличию компенсирующей обмотки в цепи
3 Ив (включена через R2) это устройство может приме-
няться в сетях' как с rлухозаземленной, так и с изолиро-
ванной нейтралью.
В последних исполнениях отечественных дистанцион-
H'ыx защит схема рассмотренной блокировки претерпела
некоторые изменения [15].
272
6.15. ОБЩАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТИ ПРJlfМЕНЕНИЯ
дИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
Дистанционные защиты в их современном исполнении
являются наиболее технически совершенным, но и наибо-
лее сложным видом защит с относительной селективно-
стью. Их существенными преимуществами по сравнению
с токовыми направленными защитами являются значи-
телЬНО более четко фиксированная зона, защищаемая
1 ступенью, лучшая защита конца участка II ступенью,
а при мноrофазных К3 значительно большая чувстви-
тельноСТЬ последней (II1) ступени, используемой в основ-
ном для дальнеrо резервирования. Принципиальный недо-
статок 111 ступеней защиты (как и токовых направлен-
ных) неполная селективность при внешних К3 частично
иноrда уменьшается сокращением защищаемых зон,
выбором участка, отключаемоrо первым и превращающе-
ro конфиrурацию сети в вид, дающий возможность осталь-
нЫм III ступеням защит работать селективно. С учетом
сказанноrо дистанционные защиты широко применяются
как основные (при И ном <.110+220 кВ) или резервные (при
иHOM 220-7-330 кВ) защиты от мноrофазных К3. В по-
следнее время в отечественной практике рассматривается
вопрос об их использовании с новыми ИО сопротивления
и для ликвидации К(1). В зарубежной практике это осуще-
ствлялось всеrда. Необходимо также отметить, что новые
возможности для осуществления достаточно простой (без
большеrо числа ИО) защиты может предоставить исполь-
зование микропроцессорной техники (ЭВМ) с ее про-
rраммной реализацией устройства. Применение защит как
основных от мноrофазных К3 обычно считается возмож-
ным, коrда допустимо отключение К3 с одной из сторон
с выдержкой времени t lI II ступени соrласно упрощенно-
му критерию сохраненИЯ устойчивости. Такое отключение
допустимо, если в режиме KacKa Horo отключения К(З) в
начале второй зоны И О,85 V3Z11 АВ I 3) O,6 Ираб (рис.
6.15) .
Ускорение действия дистанционных защит поврежден-
Horo участка в сетях сверхвысоких напряжений достиrа-
ется добавлением к ним отключающеrо или разрешающе-
ro Устройства, передающеrо сиrналы по ВЧ каналам (см.
rл. 1). Применение дистанциониых защит с удлиненной [1,
перекрывающей всю длину участка (допущенной неселек-
18-----855
273
тивностью), В отечественной практике обычно не прИМе.
няется.
В настоящее время отечественной промышленностью
осуществляется серийный выпуск комплектных дистанци_
онных защит разных модификаций от мноrофазных КЗ на
все классы напряжений выше 110 кВ, на интеrральной
5
Рис. 6.15. Расчетное условие для
проверки остаточных напряжениЙ
при I\З в сети
микроэлектронике, с широким использованием операцион-
ных усилителей [15]. Часто в комплекты входят и таковые
направленные защиты нулевой последовательности для
действия при K(I). ВО всем этом большая заслуrа коллек-
тивов ВНИИР и ЧЭАЗ.
Вопросы ДЛЯ самопроверки
1. Какие защиты называются дистанционными?
2. Какие принципы используются для Выполнения реле
Сопротивления дистанционных защит?
3. Какие искажающие факторы влияют на работу ди-
станционных защит при КЗ?
4. Как влияет учет качаний и переходных сопротивле-
ний в месте КЗ на выбор вида. характеристик срабатыва-
ния реле сопротивления?
5. Приведите некоторые основные виды характеристик
срабатывания реле сопротивления. Назовите области их
ИСпользования.
6. Какие существуют принципы Выполнения устройств,
предотвращающих ложные и излишние срабатывания за.
щиты при качаниях?
(пава седьмая
тоКОВЫЕ И НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ С КОСВЕННЫМ
СРАВНЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
7.1. сПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ
ТОКОВЫМИ И направленными заЩитаМИ с косвенным
сравнением электрических величин называются защиты
с абсолютной селективностью (см. rл. 1), основанные на
сравнении электрических величин по концам защищаемой
линии или на линиях, присоединенных к общим шинам,
посредством передаваемых по каналам связи сиrналов от
срабатывающих измерительных opraHoB.
Защиты с косвенным сравнением в наиболее простом
случае выполняются как токовые; в них сравниваются то-
ки по сиrналам максимальных opraHoB тока, включаемых
с питающих сторон защищаемых участков. Значительно
чаще эти защиты выполняются направленными; в них
сравниваются знаки мощностей КЗ по сиrналам, получае-
мым от opraHoB направления мощности.
Защиты делятся на продольные, сравнивающие вели-
чины по концам защищаемоrо участка, и поперечные,
сравнивающие величины на разных элементах одной элек-
троустановки.
Рассматриваемые защиты как обладающие абсолют-
ной селективностью выполняются без выдержки времени,
чем выrодно отличаются от токовых, токовых направлен-
ных и дистанционных защит с относительной селективно-
стью (см. rл. 5 и 6). С друrой стороны, рассматриваемые
защиты не используются как единственные на элементе,
так как не MorYT работать в качестве резервных при КЗ
на смежных элементах и поэтому сочетаются с защитами,
обладающими относительной селективностью. Необходим€>
отметить, что в защитах с косвенным сравнением вели-
чин используются те же типы opraHoB тока и направления
Мощности, что и в описанных ранее защитах с относитель-
ной селективностью. Поэтому иноrда эти элементы при-
нимаются для защит общими.
7.2. ТОКОВЫЕ ПРОДОЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ С БЛОКИРОВКОй
Принцип действия защиты и выбор ее параметров рас-
сматриваются применительно к цепочке одиночных линий
с односторонним питанием (рис. 7.1). с питающих сторон
' 5
линий включаются максимальные opraHbl тока. На первом
элементе (токоприемнике) они образуют максимальную
токовую защиту без выдержки времени. Для Toro чтобы
и друrИе защиты также моrли работать без выдержки Bpe
мени, каждая последующая из них выполняется так, что
может срабатывать только при отсутствии блокирующеrо
сиrнала от Предыдущей защиты, т. е. она оказывается свя-
занной с последней ло'rической операцией ЗАПРЕТ У===
===XI' (см. rл, 1). Токи срабатывания защит, имеющих
блокировку (если не предусматривается их допо нитель-
ное действие как резервных), MorYT выбираться большими
к наЗР!/Jке
Рис. 7.1. Принципы работы токовой продольной защиты с блокировкой
только максимальных рабочих токов защищаемых участ-
ков без учета запуска потребителей (поскольку в режимах
запуска защиты будут заблокированы) и должны соrласо
вываться по чувствительности: Jс,зп> Jс,з(п I)тах. Для обес
печения блокировки последующие защиты имеют неболь
шое замедление. Рассматриваемая защита сети в преk
ставленном ВИДе не может работать как резервная при КЗ
на преДЫдущем участке. Для выполнения этих необходи
мых функций блокируемые защиты дополняются орrанами
выдержки времени, работающими в обход схеме ЗАПРЕТ.
Выдержки времени этих opraHoB выбираются по ступенча-
тому принципу. Токи срабатывания при этом должны вы-
бираться так же, как для максимальных токовых защит
(см.rл.5). С
Рассматриваемая защита была разработана в овет-
ском Союзе еще в начале 30-х [одов применительно к за
щите шин подстанций, но распространен я не получила в
связи с некоторой сложностью лоrическои части. Оценива
276
лись ее свойства и для понижающих трансформаторов.
она приведена также в работе 30 x [одов Н. Нейrебауера
(rермания). Применение защиты, вероятно, МОжет иuметь
смысл для элементов, находящихся в пределах однои ус-
тановки (например, защиты одиночных систем шин), коrда
обязательна быстрота отключения К3.
7.3. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ
пРОДОЛЬНЫХ ЗАЩИТ
Защиты по принципу действия MorYT применяться в се-
тях любой конфиrурации с любым числом источников
питания. Их работа рассматривается на примере сети на
рис. 7.2. Полукомплекты защиты, включающие opraHbI на-
правления мощности (в общем случае двустороннеrо дей
ствия), устанавливаются с обеих сторон каждоrо участка.
Защита срабатывает, если полные мощности К3 на обоих
концах участка направлены от шин в линию (для мощно-
стей нулевой и обратной последовательностей от линии
к шинам, см. rл. 5), что характерно только для повреж-
...............
,..............
Рис. 7.2. Сеть с двусторонним питаиием, заЩищаемая направленными
продольными защитами
ДеННоrо участка. На неповрежденных участках сети мощ
НОСТИ К3 с одной стороны обязательно направлены к ши-
нам и их защиты не срабатывают, хотя с друrой стороны
МОЩНОСТИ направлены 01' шин. Такое действие защит обес
пеЧивается за счет наличия лоrической связи между их
ПОЛукомплектами, осуществляемой по каналам связи.
В зависимости от характера использования каналов
защиты разделяются на две rруппы: с разрешающими
Сиrналами (РС), коrда приХодящий с противоположной
СТороны сиrнал разрешает отключение, и блокирующими
сиrналами . (БС), Коrда приходящий с противоположной
СТороны сиrнал, наоборот, препятствует отключению. При
этом имеется в виду, что сиrнал может подаваться как по
277
явлением в канале нормально отсутствующ\::rо в нем TO
ка (НО), так и нормально присутствующим в нем током
(НП). В результате сравниваются четыре основных ВИда
сиrналов в канале: РС с НО или НП и БС с НО или НП.
Первые обобщающие работы по способам использова
ния каналов были опубликованы в 30 x [одах Н. Нейrебауе
ром (rермания) и Н. Т. К,обяковой.
Проведенный (см., например, [1]) анализ принципов
выполнения защит с разными каналами связи дал возмож
ность сделать следующие выводы.
1. Для защит с вч каналами целесообразно примене-
ние блокирующих сиrналов, передаваемых по неповреж
денным участкам (см. рис. 7.2) и предотвращающих сра
батывание полукомплектов защиты, через которые мощ
ность КЗ направлена от шин в линию. На повреждеННО i,
участке, [де канал может быть нарушен, БС не требуется
, Это исключает отказы защит поврежденноrо участка, есЛl'
ВЧ сиrнал не проходит через место КЗ (что было бы Прl:
РС). Схемы целесообразно строить с нормально отсутст-
вующим током в канале, что обеспечивает работу как прн
одностороннем, так и при двустороннем питании.
2. При применении проводных и радиоканалов MorYl
быть использованы как блокирующие, так и разрешающи{.
отключения сиrналы. Последние иноrда используются ка!<
дополнительные к дистанционным защитам и токовым на.
правленным защитам нулевой последовательности в сетю
сверхвысоких напряжений (см. rл. 10).
7.4. НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ С ВЧ БЛОКИРОВКОй
Направленными защитами с ВЧ блокировкой называ-
ются защиты с косвенным сравнением направлений мощ-
ности по концам защищаемоrо участка, использующие вч
каналы, по которым при внешних КЗ передаются блоки
рующие сиrналы, обеспечивающие в этих режимах их
несрабатывание. Принципиально БС можно было бы ис-
пользовать для предотвращения ,срабатывания защиты и
при нормальной работе сети. Такие решения, однако, не
применяются с учетом вероятности кратковременных (за
счет помех) нарушений канала, при которых защита мо-
rла бы ложно срабатывать. Для отстройки от рабочих ре-
жимов используются отдельные пусковые opraHbl. В неко-
торых частных случаях функции пуска возлаrают на
opraHbl направления мощности (коrда последние не MorYT
278
сра.батывать в рабочих режимах, например при включе-
нии на составляющие обратной последовательности). Cxe
мы защиты принято строить с нормально отсутствующим
'!UKOM В канале. Первые данные о рассматриваемых защи
тах пОЯВИлись в 20 e [оды. В конце 20 x и начале 30 x [o
дов был создан ряд схем таких защит. Большая заслуrа
в деле разработки и внедрения в эксплуатацию направлен
ных защит с вч блокировкой принадлежит лаборатории
им. А. А. Смурова, работники которой в конце 30 x и Ha
чале 40-х [одов разработали, изrотовили и установили в
энерrосистемах COBeTcKoro Союза значительное число
комплектов этой защиты.
Учет ряда факторов (сложные ПО при их включении
на полные напряжения и токи фаз, возможность ложноrо
действия при качаниях защит с ОНМ, включенными на пол
ные напряжения и токи, и т. д.) приводит К значительному
усложнению релейной части. С учетом этоrо обстоятельст
ва Фаллю (Франция) в начале 30-х [одов была разрабо
тана весьма простая по выполнению релейной части
защита обратной последовательности от всех несим
метричных КЗ. Пр,остыми являются и защиты нулевой
последовательности от КЗ на землю. Возможно также
выполнение защиты с ОНМ, включенными на полные
ав'арийные слаrающие или их симметричные COCTaB
ляющие.
В Советском Союзе по предложению, [. И. Атабекова
ия. М. Смородинскоrо (1946 [.) в СРЗиУ ТЭП (в. Л. Фаб
рикант и др'.) были созданы фильтровые защиты с дистан-
ционным пуском передатчиков. Некоторое время такие за
щиты выпускались промышленностью; в настоящее время
они не применяются. Теми же авторами примерно в то же
время была предложена фильтровая защита с мrновенной
фиксацией знака мощности. Первые работы в этой обла-
сти, проводившиеся в СРЗиУ ТЭП, выявили возможность
кратковременных излишних срабатываний фильтровых
OpraHoB направления мощности, обусловленных переход-
НЫМИ процессами, что затрудняло их полноценное выпол
неНие. Последующие исследования и разработки, прове
.l.eHHble во ВНИИЭ (А. И. Левиуш, Я. С. rельфанд,
Е. Д. Сапир и др.), показали возможность создания ОНМ,
Правильно фиксирующих знак мощности обратной после
Довательности в начальный момент КЗ, и достаточно пол
НОЦенной фиксации (с использованием opraHa сопротивле-
ния) К(З). Такое выполнение продольных защит линий
279
находит в отечественной практике определенные области
применения.
Известны два способа пуска передатчиков рассматри-
ваемых защит:
при возникновении К3, расположенных в любых мес-
тах сети, от быстродействующих ненаправленных ПО.
Передатчики затем осчшавливаются он.м. при поврежде-
нии в защищаемой зоне;'
только при направлении мощности К3 от линии к ши-
нам.
Преимущество первоrо способа заключается в увели-
чении надежности несрабатывания при внешних К3 за
счет быстрой посылки Бс. Серьезным недостатком явля-
лась возможность отказа защиты, если при К3 на защи-
щаемой линии на одном из ее концов имеются условия для
срабатывания ПО, а уровень воздействующих величин
он.м. недостаточен для ero надежноrо срабатывания. Это
характерно, например, для двух- или мноrоконцевых Лl!-
ний при отсутствии источника мощности на одном из ее
концов. ВНИИЭ разработаны мероприятия, устраняющие
этот недостаток.
Второй способ обеспечивает увеличение надежности
срабатывания, так как при К3 на защищаемой .1ИНИИ пуск
не производится. Однако необходимо вводить дополни-
тельную задержку для соrласования по времени блокиру-
ющих и отключающих он.м. по концам линии.
7.5. пРинципы ДЕЙСТВИЯ СХЕМ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ
С ВЧ БЛОКИРОВКОй
Как указывалось ВЫше, в отечественной практике при-
меняются защиты с ИО, включаемыми на составляющие
обратной, иноrда нулевой, последовательности. В этом
случае принципы действия схем защит различаются в пер-
вую очередь способами пуска вч передатчиков и исполь-
зования отдельных ПО. Ниже рассматриваются структур-
ные схемы защит: с пуском от ненаправленных ПО, с пу-
ском, контролируемым он.м., и с пуском от он.м. без
отдельных ПО.
Схема с пуском от ненаправленных ПО (рис. 7.з). Пуск
осуществляется для каждоrо из полукомплектов двумя
орrанами (например, орrанами тока обратной последова-
тельности) ПОl и П02. Они имеют разную чувствитель-
ность. Более чувствительные (при пуске от тока с мень-
280
Illими lc,p) ПОl служат только для пуска вч передатчи-
коВ, rенерирующих вч БЛОкирующие сиrналы. Более rpy
бые П02 предназначаются для отключения выключателеи
линии через выходной opraH ВО, при срабатывании ОН М,
через лоrические элементы ЗАПРЕТ, используемые для
блокирования защиты при внешних К3. Элемент ЗАПРЕТ
(y==Xj.X2) дает сиrнал при получении сиrнала Хl от П02
через ОН М только cBoero ПОЛукомплекта. При наличии
сиrнала, получаемоrо через ВЧ приемник с противополож-
НОЙ стороны линии (Х2) или С обеих сторон, во не сраба-
тывает. Для обеспечения недействия передатчиков при К3
на защищаемом участке используется лоrический эле-
мент НЕ.
Рис. 7.3. Схема с пуском от ненаправленных пусковых opraHOB
Исполнение защиты обеспечивает ее правильное функ-
ционирование как при двустороннем, так и при односто-
роннем питании места повреждения, если невозможны
случаи, коrда ПО срабатывает, а он.м. нет, например
Из-за низкоrо уровня напряжения на входе он.м..
Работа защиты не искажается при нарушении вч свя-
зи на защищаемом участке в случае ero повреждения, так
как правильное функционирование канала, как уже ука-
Зывалось, требуется только при внешних К3. В последних
СЛучаях, сопровождаемых нарушением канала, защита
может сработать излишне. Практическая вероятность этоrо
С учетом наличия контроля канала мала. В практике экс-
плуатации, однако, имели место случаи увеличения зату-
Хания в вч канале сверх расчетноrо, например вследст-
Вие очень сильных rололедов. Для предотвращения воз-
МОжности излишнеrо срабатывания защита при этом
281
должна выводиться из работы устройством автоматичес-
Koro контроля ВЧ канала.
Воздействующие величины при внешних К3 MorYT ока-
зываться близкими к параметрам срабатывания ПО. При
этом за счет неодинаковых поrрешностей измерительных
преобразователей и уставок по двух полукомплектов за-
щиты и некоторых друr.их факторов может сработать ПО
только с одной стороны> защищаемой линии, rде мощность
К3 направлена от шин в линию (см. рис. 7.2). В этом слу-
чае БС будет отсутствовать и защита может излишне от-
ключить линию. При наличии двух ПО разной чувстви-
тельности более rрубый ПО2, действующий на отключе-
ние, в рассматриваемом случае не должен срабатывать,
что исключит излишнее действие защиты даже при отсут-
ствии Бс. Необходимо отметить, что в схемах с дистан-
ционным пуском передатчиков удвоение пусковых opraHoB
не требуется. Параметры срабатывания более чувстви-
тельных opraHoB, включаемых на составляющие нулевой
или обратной последовательности, отстраиваются от рас-
четных небалансов. Токи небаланса в цепях тока возрас-
тают при возрастании токов фаз (например, при внешних
ЮЗ) и качаниях). Отстройка от них ПОl может резко за-
rрубить защиту. С напряжеНИЯМIl небаланса этоrо обычно
не происходит. Поэтому оказывается целесообразным, на-
пример в защитах нулевой последовательности [1 О], дЛЯ
пуска использовать комбинированные ПО с сочетанием
opraHoB напряжения (ОН) и тока (ОТ), действующих по
схеме И.
Аналоrичная схема, но с несколько друrой целью, была
предложена ВНИИР и ВНИИЭ дЛЯ направленной защи-
ты с ВЧ блокировкой линИй 110 333 кВ. Вольт-амперные
характеристики более чувствительноrо пусковоrо opraHa
ПОl и ОН М, срабатывающеrо при К3 на защищаемой ли-
нии и прекращающеrо пуск ВЧ сиrнала, и более rрубоrо
пусковоrо opraHa ПО2 показаны на рис. 7.4. При ЭТО\1
структура схемы на рис. 7.3 изменяется таким образоы,
чтобы для прекращения пуска ВЧ сиrнала от ОН М не ТРС-
бовалось срабатывание ПО2. Пуск ВЧ сиrнала от ПОl
ненаправленный, однако ток и напряжение, требуемые
для пуска, заведомо больше, чем необходимо для сраба-
тывания ОНМ. Поэтому при исправной защите невозмо-
жен случай, коrда при К3 на защищаемой линии не будет
остановлен блокирующий ВЧ сиrнал. Такая схема пуска
с помощью ПОl и ОНМ в большей степени сочетает досто-
282
инства ненаправленноrо и направленноrо пусков блокиру-
ющеrо ВЧ сиrнала. Отключение поврежденной линии осу-
ществляется при отсутствии блокирующеrо ВЧ сиrнала и
срабатывания rрубоrо opraHa ПО2, также выполненноrо
с помощью ОН и ОТ, действующих по схеме И.
Схема с пуском, контролируемым ОНМ (рис. 7.5).
В схеме испольЗуются ОНМ двустороннеrо действия или
два ОНМ, срабатывающие при разных направлениях мощ-
и с / р
На итключенuе В.
ОНМ
ПО1
ПО2
о
lс,р
Рис. 7.4. Вольт-амперные ха.
рактеристики ОНМ и ПО тока
и напряжения оqратной после-
довательности, соединенных по
схеме И
Рис. 7.5. Схема с пуском, конт-
ролируемым ОНМ
ности К3. При направлении мощности К3 от шин в защи-
щаемую линию ОНМ действует через более rрубый ПО2
на отключение через лоrический элемент ЗАПРЕТ, а при
направлении мощности К3 к шинам через второй более
Чувствительный ПОl на пуск ВЧ передатчика. Функцио-
нирование элемента ЗАПРЕТ, удвоение ПО и их сочета-
ние имеют такое же назначение, как и в предыдущей схе-
ме (см. рис. 7.3).
Схема с пуском, осуществляемым самим ОНМ (рис.
7.6). Эта схема соответствует первоначально предложен-
ной Фаллю. Совмещение функций пуска и установления
направления мощности К3 дЛЯ ОНМ принципиально допу-
сТимо, так как в нормальных рабочих режимах составля-
ющих обратной и нулевой последовательностей практиче-
СКИ почти нет и отстройку необходимо осуществлять в
ОСновном только от небалансов в цепях напряжения и то-
Ка. Обеспечение же разной чувствительности при пуске
ВЧ передатчика и работе на отключение может произво-
диться соответствующим выполнением ОНМ. Четкой ра-
283
боте схемы при внешних несимметричных КЗ способству
ет также то обстоятельство, что мощность обратной или
нулевоЙ последовательности (как и напряжения И 2 или
и о ) уменьшается при удалении От места КЗ. Схема на
рис. 7.6 более эффективна при использовании электромеха
нических ОНМ с разноЙ мощностью срабатывания. Если
применяются ОНМ на икроэлектронной элементноЙ ба
зе, то необходимо, чтобь! вольт амперные характеристика
ОНМ, деЙствующих На пуск и на отключение, были pac
положены соответственно как вольт амперные xapaKTC
ристики ПО1 и ПО2 на рис. 7.4.
ис,р
ис,р
ОНМ
о
о)
Ic,p
Рис. 7.6. Схема с пуском, ocy
ществляемым самим ОНМ
Рис. 7.7. Вольт-амперные харак-
теристики ОНМ с компенсациеЙ
напряжения (а) и дополнитель-
ным opraHoM тока (6)
Недостатком фильтровых направленных защит, в том
числе с ВЧ блокировкой, является, как было показано в
rл. 5, трудность обеспечения чувствительности по напря
жению при удаленных КЗ, если мало сопротивление пита-
ющей системы (большая мощность системы). Для повы
шения чувствительности ОНМ по напряжению применя-
ются в основном два способа:
1) использование комбинированноrо напряжения, напри-
мер И2 Z2к12 (предложение СРЗиУ ТЭП, В. М. Ермолен
ко и c. Я--:- Петров), что обеспечивает получение вольт ам
перной характеристики ОНМ, показанной на рис. 7.7, а;
2) использование дополнительноrо ОТ 12 или 10 (преk
ложение ВНИИЭ, Я. С. [ельфанд), уставка KOToporo BЫ
бирается таким образом, чтобы при внешних КЗ дейст-
вие защиты надежно блокировалось. ОНМ одноrо из KOH
цОВ линии (при КЗ за удаленным концом линии лереда-
чеЙ БС). Результирующая вольт-амперная характеристика
284
ОТ
оНМ и ОТ показана на рис. 7.7, б. Исследования ВНИИЭ
показали, что на длинных линиях 110 220 кВ вариант
с дополнительным реле тока может оказаться более преk
почтительным.
Обеспечение работы схем защит при К(З). Этот вопрос
возникает при использовании схем с включением на co
ставляющие обратной последовательности, коrда стремят
ся иметь односистемную схему защиты, реаrирующую на
все виды КЗ, в том числе и на К(З). При этом учитывает
ся что практически почти всякое К(3) характеризуется хо-
тя' бы кратковременной несимметрией, достаточной для
срабатывания ОНМ. Далее это срабатывание фиксирует-
ся минимальным opraHoM сопротивления, включаемым на
ИмФ и !..МФ, С этой точки зрения более предпочтительной
являл ась бы пока не применяемая схема с включением
ОНМ на полные аварийные слаrающие. Возможно также
использование отдельноrо комплекта opraHoB от К(З).
Одним из основных недостатков рассмотренных на-
правленных защит является их неприспособленность для
защиты линии в неполнофазном режиме, возникающем,
например, в цикле ОАПВ.
Область применения направленных защит с ВЧ блоки.
ровкой. В Советском Союзе во ВНИИЭ (Е. Д. Сапир и
др.) были разработаны весьМа совершенные варианты
дифференциально фазных продольных токовых защит ли
ний (см. rл. 8), на базе которых промышленностью выпус
кались защиты с общим названием ДФЗ. В связи с ука-
занным дифференциально фазные защиты в отечествен
Ной практике последних десятилетий (в отличие от зару-
бежной) получили очень широкое применение, вытеснив
направленные защиты.
Однако направленные защиты по сравнению с диффе-
ренциально фазными имеют некоторые принципиальные
преимущества: значительно лучше приспособлены для pa
боты на линиях с ответвлениями (см. rл. 9), MoryT быть
ВЫполнены несколько более быстродействующими, в них
Предъявляются меньшие требования к ВЧ каналу (см. rл. "
1). Поэтому в настоящее время принято решение о выпу
ске в дальнейшем промышленностью только направлен-
НЫХ защит на интеrральной микроэлектронной базе основ-
ной для устройства защиты. Для обеспечения полноценной
защиты линий сверхвысоких и ультравысоких напря-
Жений в цикле ОАПВ (такие линии, как правило, снабжа
ЮТся устройствами однофазноrо АПВ) ВНИИЭ разработа
285
ны варианты направленныIx защит, которые в рассматри
ваемом режиме переводятся в дифференциально-фазные;
последние (см. rл. 8) функционируют при этом достаточ-
но правильно.
7.6. СОЧЕТАНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ
С НАПРАВЛЕННЫМИ ПРОДQЛЬНЫМИ
Дистанционная защита отключает К3 без выдержки
времени с обеих сторон только примерно на 70 % длины
участка (рис. 7.8). На остальных 30 % длины К3 отключа.
ются без выдержки времени только с одной стороны. Про-
дольные направленные зашиты не имеют выдержки вре-
мени, но не MorYT как резервные отключать К3 на смеж-
A f4<
I
I t] ti
D,15Z D,71
Рис. 7.8. Выиrрыш во времени
отключения К3 при сочетании
дистанционной защиты и на-
правленной с ВЧ блокировкой
Рис. 7.9. Вариант характеристики
Zc,p f(rpp) трех ступеней дистан,
ционной защиты А с ВЧ блоки-
ровкой
ных элементах. Обе защиты являются направленными I!
MorYT иметь некоторые общие opraHbl. Поэтому имеются
исполнения, орrанически сочетающие эти две защиты и
обеспечивающие отключение К3 на защищаемом участке
без выдержки времени. Существуют варианты таких соче-
таний.
1. Пуск передатчика при внешних К3 от «вывернутой»
третьей ступени с направленными реле сопротивления,
имеющими характеристику, сдвинутую на защищаемую
линию для исключения мертвой зоны (рис. 7.9). При это)!
111 ступень дистанционной защиты действует в сторону,
противоположную 1 и 11 ступеням, что имеет некоторые
недостатки (см. rл. 1). Способ не получил распростране-
ния в отечественной практике.
28(;
2. Использование для направленной защиты не блоки-
рующих, а разрешающих сиrналов. Известным недостат-
ком при ВЧ канале является возможность сильноrо зату-
хания ВЧ сиrнала при прохождении через место К3 на
защищаемой линии. Такой вариант применяется для ре-
зервных дистанционных защит (при наличии основных
направленных защит с ВЧ блокировкой) линий сверхвы-
соких напряжений.
Основным преимуществом рассматриваемых комбини-
рованных выполнений по сравнению с вариантом установ-
ки двух независимых защит дистанционной и продоль-
ной направленной является уменьшение числа сложных
opraHoB. Иноrда такое объединение может быть также
полезно для защиты линий с ответвлениями (см. напри-
мер, [63]). Однако рассматриваемое объединение имеет
и недостатки: неисправности в цепях одной из защит мо-
ryT приводить к нарушению работы обеих защит; при ре-
визии или неисправности в цепях одной из защит может
потребоваться вывод из работы обеих защит; чувствитель-
ность защиты как направленной с ВЧ блокировкой может
быть меньше, чем отдельной направленной.
С учетом изложенноrо на практике объединенные защи-
ты иноrда применяют для менее ответственных сетей, [де,
однако, необходимо отключение К3 в любых местах уча-
стков без выдержки времени. Это объединение относится
только к дистанционным защитам от мноrофазных К3.
Направленные ВЧ защиты от К3 на землю выполняются
при этом отдельными комплектами нулевой или обратной
Последовательности с ВЧ блокировкой и MorYT объеди-
Няться с токовыми направленными защитами нулевой
Последовательности со ступенчатыми характеристиками
Выдержек времени (см. rл. 5).
7.7. ВЫПОЛНЕНИЕ НОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С ВЧ
БЛОкировкой, ВЫПУСКАЕМОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ
На основе разработок ВНИИЭ и ВНИИР созданы па-
Нели направленной защиты с ВЧ блокировкой дЛЯ ВЛ на-
ПрЯжеНИем 11 о ззо кВ [54].
Для работы при несимметричных К3 используются ИО
Ъбратной последовательности, выполненные с помощью
, ОН и ОН М. Пуск блокирующеrо ВЧ сиrнала и он М,
еиствующеrо в сторону ОТключения, осуществляется бо-
ее чувствительными ОТ и ОН, действующими по схеме
287
И, а ero остановка ОН М, причем вольт амперные xa
рактеристики opraHoB аналоrичны показанным на рис. 7.4
дЛЯ ПО1 и ОНМ, что обеспечивает сочетание достоинств
направленноrо и ненаправлен'Ноrо пусков. Действие защи-
ты на отключение осуществляется более rрубыми ОТ и
ОН, действующими по схеме И с ОНМ. Эта схема эквива
лентна ОНМ с вольт амперной характеристикой ПО2 на
рис. 7.4. Для повышения чувствительности защиты по на-
пряжению предусмотрен дополнительный ОТ, срабатыва
ние KOToporo при отсутствии блокирующеrо ВЧ сиrнала
приводит к действию защиты на отключение независимо
от значения напряжения обратной последовательности
(рис. 7.7, б).
Для работы при трехфазных КЗ ИСпользуются два opra
на сопротивления (ОС), характеристики которых аналоrич
Z Il Z III
ны характеристикам с.р И с.р, показанным на рис. 7.9,
но являются не круrовыми, а эллиптическими, что обес-
печивает лучшую отстройку от наrрузки. Отключающий
ОС является направленным, охватывает с запасом всю за
щищаемую линию и имеет память для работы при близ
ких трехфазных КЗ. Блокирующий ОС имеет характе-
ристику, охватывающую начало линии, чтобы надежный
пуск блокирующеrо ВЧ сиrнала обеспечивался при близ-
ких КЗ на смежной линии. Отключающий ОС вводится в
действие блокировкой при качаниях, ПО которой реаrиру
ет на /2 и производную изменения фазноrо тока (см.
rл. 6). Защита может работать как с ВЧ приемопередатчи-
ком БС, так и с ВЧ приемопе'редатчиком, передающим в
одной полосе частот как блокирующие, так и отключающие
ВЧ сиrналы.
7.В. ПРИНЦИП РАБОТЫ НАПРАВЛЕННЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ЗАЩИТ
Направленными поперечными MorYT быть названы за
щиты с абсолютной селективностью, сравнивающие H3
правление мощности КЗ в присоединениях (линиях) дaH
ной подстанции. Поврежденный элемент выявляется тем,
что знак мощности КЗ на нем отличается от знаков мощ
ности друrих присоединений: на поврежденном элементе
мощность КЗ направлена от шин в ЛИНИю, а на друrих к
тем же шинам. Анализ показывает, что такой принцип
приrоден не во всех случаях. Возможная область ero при-
менения оrраничивается в основном защитой линии свя
зывающей непосредственно два источника пи ания
288
(рис. 7.10, а), при наличии Jlюбых обходных связей без дo
полнительных источников питания, а также двух или He
скольких параллельных цепей (рис. 7.10, б и в). Защита
впервые была выполнена в Советском Союзе в конце 20 x
rоДОВ для сети 110 кВ, аналоrичной приведенной на
рис. 7.10, а. В СРЗиУ ТЭП (В. М. Ермоленко) было предло-
Рис. 7.10. Примеры схем сетей, в которых возможно использование Ha
праВJlенных поперечных защит
жено использовать такой же принцип для защиты нулевой
последовательности параллельных цепей. Он получил ши
рокое применение. Ниже рассматриваются ero особенно-
сти применительно к такому выполнению.
7.9. НАПРАВЛЕННАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОй
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ
Принци" действия. Структурная схема защиты двух
параллельных цепей линии (рис. 7.11, а) приведена на
рис. 7.11, б. Предполаrается присое,R.инение защиты к вы-
носным т А и использование opraHoB направления мощно
сти ОН М двустороннеrо действия. Они включаются на
3 и о ИЗ/о так, чтобы защита действовала на отключение
поврежденной цепи при :напр авлении мощности КЗ в ней
от шин в линию, если при этом на параллельной цепи
Мощность направлена от линии к шинам. Отключающий
Сиrнал проходит через ОНМ и ОТ своей цепи, opraHbl
ОНМ и реле положения «включено» KQC выключателя Q
параллельной цепи. Защиты двух сторон параллельных цe
пей MorYT срабатывать только каскадно, т. е. после отклю
чения выключателя одной из них. Это определяется тем,
что по неповрежденной цепи мощность КЗ только с одной
стороны направлена к шинам (с друrой при этом от
19 855
289
шин). При К3 в цепи 1 вблизи места установки заЩИТhI
К! ОН М" .цепи II дает разрешающий сиrнал защите по.
врежденнои цепи 1, сяабатывают ее ОН М', ОТ' и через
реле положения KQC отключается Q'. После этоrо на.
правление мощности К3 в неповрежденной цепи II меня-
ется на обратное и срабатывает защита друrой стороны
линии. Контроль цели ,отключения контактом KQC/I пре.
дотвращает ВОЗМОЖlНоСть неправильноrо отключения не-
поврежденной цепи 1 при К3 К2 между Q/I и Т А" при ОТ.
ТА'
JUo
о)
Рис. .7.11. Структурная схема направленной поперечной защиты для
однои стороны двух параллельных цепей
ключенном Q/I. Такой контроль цепи не требуется при
включении защиты на ТА, встроенные в высоковольтные
вводы выключателей (например, масляных мноrообъем-
ных).
. При внешних К3 и включенных обеих цепях оба ОНМ
деиствуют в одну сторону и защита сработать не может.
Этим подтверждается ее абсолютная селеI{ТИВНОСТЬ и воз-
мож ость выполнения без выдержки времени. При работе
одно и цепи защита также не работает, так как не дейст-
вует ОНМ отключенной цепи. При одностороннем пита-
нии защита может быть использована только с приемной
стороны.
Выбор параметров и проверка чувствительности. Токи
срабатывания ПО выбираются с учетом соображении,
приведенных для продольных направленных защит (см.
7.5).
При оценке чувствительности защиты учитывается
(разработки Т. Н. Дородновой И В. А. Рубинчика, ЭСП)
наличие на защищаемых участках передачи точки К'
расч
290
(рис. 7.12, а), при К3 в которой ток в неповрежденной це-
пи и мощность. К3 оказываются равными нулю. При по-
вреждении в этой точке защиты сторон не срабатывают,
таК как не срабатывают ОНМ неповрежденной цепи, т. е.
заIlI.ита характеризуется наличием мертвой зоны. При не-
болЬШОМ отходе от К'расч в неповрежденной цепи появля-
ются ток и мощность К3 и защиты каскадно срабатывают.
Для обеспечения необходимой чувствительности защиты
по току при повреждениях вблизи К асч должен обеспе-
чиватьСЯ k ч ;;::: 1 ,5--;-.2 (учет К3 через Rп). Местоположение
К , q определяется из схемы замещения защищаемой се-
рас
ти (рис. 7.12, б) с учетом Toro, что в этом режиме остаточ-
А
Б
Zл A/i
Рис. 7J2. Определение местоположения точки К асч' при К3 в которой
направленные поперечные защиты не работают
ные напряжения на шинах А и Б одинаковы. Тоrда полу-
чаем расстояние до К асч' например, от шин А l A
z А/АВ/ (Z А +Z L )', rде Z А и Z Б приведенные к шинам
А и Б эквивалентные сопротивления систем А и Б. Чувст-
вительность проверяется также при повреждении в точке
К;асч , соответствующей концу участка при отключении
защитой ero противоположной стороны (каскадно) . Нали-
чие мертвой зоны у К асч практически исключается дей-
ствием на одной из сторон друrой установленной защиты,
после KOToporo срабатывает и рассматриваемая.
Область применения. Достоинствами защиты являются
относительно быстрая ликвидация К3 с временем t
2(t з +t 8 ) и весьма малая вероятность отключения обеих
цепей при К3 на одной цепи с обрывом фазы или просто
при обрыве фазы в отличие от отключения в указанных
случаях обеих цепей при использовании поперечных диф-
ференциальных токовых направленных защит (см. rЛ. 8),
Недостатки: приrодность только для некоторых схем се-
l\)-
291
тсй (прежде Bcero параллельных цепей) иневозможность
применения в качестве единственной, так как она не рабо_
тает при отключении одной из цепей, при КЗ на шинах !!
не может резервировать отключение КЗ на смежных эле-
ментах.
Защита широко применяется в отечественной праКТИКе
в виде защиты нулевой последовательности от К(l) и КО.!)
параллельных цепей линий с UHOM 110 кВ в сетях, имею-
щих заземленные нейтрали трансформаторов (aBTOTpaH
форматоров), с использованием ОТ и ОНМ токовых на-
правленных защит со ступенчатыми характеристикам!!
выдержки времени (см. rл. 5). При наличии заземления
только с одной стороны линий защита может использо-
ваться лишь с противоположной стороны линий, примы-
кающих к трансформаторам с изолированными нейтраля-
ми. Применение рассматрив емой защиты облеrчает также
соrласование II ступеней токовых и токовых направ-
ленных защит нулевой послеДОвательности (см., напри-
мер, [36]).
Вопросы для самопроверки
1. Какие защиты называются токовыми и направлен-
ными с косвенным сравнением электрических величин?
2. Какие электрические величины MorYT сравниваться
в защитах по сиrналам с питающих сторон защищаемых
участков и какие имеют преимущественное использова-
ние?
3. MorYT ли рассматриваемые защиты использоваться
как единственные на элементе?
4. Какие основные виды сиrналов в канале MorYT срав-
ниваться в защите? Объясните их особенности. Какие
ПРИНЦипы выполнения защит с разными каналами связи
целесообразны для использования?
5. Какие существуют способы пуска передатчиков на-
правленных защит с ВЧ блокировкой? Их достоинства и
недостатки при использовании отдельных ПО.
6. Назовите преимущества использования сочетания
дистанционных защит с' рассматриваемыми направленны-
ми продолыными.
7. Какие защиты называются направленными попереч-
ными? Поясните их области применения.
292
rл ава восьмая
ифФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ
. токОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
8.1. сПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ
Дифференциальными токовыми и ток!!выми направлен-
ными называются защиты с абсолютнои селективностью,
непосредственно (см. rл. 1) сравнивающие электрические
велИЧИНЫ в заданных местах защищаемых элементов, на-
рим ер по концам линии (рис. 8.1,а), продольные за-
иты или в элементах одной электроустановки, например
в параллельных цепях линии (рис. 8.1, б и в), попереч-
llIf l1Лf
о)
8)
а)
Рис. 8.1. Примеры схем сетей. в
которых MorYT использоваться
дифференциальные токовые и то-
ковые направленные защиты
Рис. 8.2. Элемент, защищаемый
дифференциальной токовой защи-
той
!1 !
ЗащuщаllNЫи.
элемент
111/ t
ные защиты. Защита может быть также использована для
трансформаторов, статорных обмоток reHepaTopoB, сбор-
ных шин электроустановки и т. д. В общем случае принц п
действия дифференциальной токовой (ненаправленнои)
защиты базируется на том, что rеометрическая сумма то-
Ков со всех сторон защищаемоrо элемента (предполаrает-
ся, что они условно направлены внутрь элемента) при от-
n
СУтствии КЗ в нем равна нулю !n===o, а при наличии
n 1
I\З она
току в месте
n
повреждения IKп===I K
n 1
равна
(Рис, 8.2).
293
Защищаемую зону оrраничивают установкой Т А со всех
сторон элемента; измерительный opraH тока включают На
rеометрическую сумму вторичных токов ТА. Предполаrая
ТА идеально точными (полная поrрешность 8==0), с ОДII.
наковыми коэффициентами трансформации КI, получаеll
ток в opraHe тока при отс тствии повреждения в заЩИЩае.
мой зоне Ip==O, а при I\З Ip==IK/K 1 . Это обеспечит сраба..
тывание защиты.
В реальных условиях необходимо считаться с поrрещ.
ностями Т А, дЛЯ трансформаторов и автотрансформато.
ров с наличием у них намаrничивающих токов, ВОСПРII.
нимаемых защитой как повреждение в заЩищаемой ЗОНе,
и с рядом друrих факторов, учитываемых ниже.
Все рассматриваемые виды дифференциальных заЩIIТ
как обладающие абсолютной селективностью выполняются
без выдержки времени и используются в сочетании с дру.
rими, например резервными защитами с относительной се.
лективностью.
В продольных дифференциальных токовых защитах мо.
rYT сравниваться MrHoBeHHble значения токов, одновремен.
но модули и фазы токов или только их фазы; сравнение
только модулей (абсолютных значений) токов не можеl
выявить поврежденный элемент. В поперечных защитах
в общем случае MorYT сравниваться MrHoBeHHble значения
токов, их фазы или модули, а также направления мощно.
стей I\З. В последнее время схемы со сравнением модулеЙ,
как правило, не применяются. Для продольных защит
обычно применяются проводные и ВЧ каналы (см. rл. 1),
для поперечных проводные.
Принцип действия дифференциальных токовых направ'
ленных защит рассматривается в конце rлавы особо. Ниже
в первую очередь более подробно рассматриваются диф'
ференциальные токовые защиты на при мере их применения
как продольных для защиты линий.
8.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ С ПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ
Принцип действия заЩИТЫ рассматривается примени'
тельно к ее выполнению с проводным каналом (вспомоrа'
тельными проводами) для элемента небольшой протяжен-
ности (рис. 8.3). На концах защищаемоrо элемента уста-
навливаются Т А с одинаковым КI. Их вторичные обмотКИ
на одноименных фазах соединяются проводами и подклЮ-
294
я к обмотке измерительноrо opraHa тока ОТ так, что
qаЮ ТС и внешнИХ I\З ток в opraHe отсутствовал, а при I\З
61>1 П ищаемой зоне определялся током в месте поврежде
в за Возможны два соединения, удовлетворяющие этим
ИИЯ виям носящие названия схем с циркулирующими TO
усл и У ' р авновешенными напряжениями. На практике
ками
бычИО используется как
меющий некоторые пре-
имущества рас матривае-
мый ниже пер выи вариант.
В нем вторичные обмотки
ТА (если считать, как Bcer-
да, что одноименные OHЦЫ
первичной и вторичнои об:
моток расположены СОДНОИ
.стороны) соединяются меж-
ду собой при помощи вспо-
моrательиых проводов кон-
цами, обращенными внутрь
защищаемой зоны, оrрани-
ченной т А, и наружу; па-
раллельно им (дифференци,
<lЛЬНО) включается обмотка
ОТ.
Ток в ОТ с учетом услов-
ных положительнЫХ направ-
лений токов, указанных на
рис. 8.3 стрелками (внутрь
защищаемой зоны), I p ==I2I+ 1 2!I.
Ток I p равен rеометричеёКой сумме токов, подходящих
к ОТ OT ТА. При нормальной работе, качаниях и внешних
I\З (точка К') первичные ТОКИ!lI и !ш, если пренебречь
Поперечной проводимость защищаемоrо элем:нта, равны
и сдвинуты по фазе на 180 . Поэтому при точнои трансфор-
мации вторичные токи связаны соотношением !21== b\I,
ток Ip==O как определяемый действительной раЗI-lОСТЬЮ
токов, и ОТ не срабатывает, хотя по вспомоrательным про-
водам и циркулируют токи. С учетом изло енноrо "защита
Называется дифференциальной, а ее схема схемои с циp
кулирующими токами. В ней MorYT сравниваться MrHoBeH-
ные и комплексные значения токов.
При КЗ в защищаемой зоне (точка КН) токи 1l И !1I1
В общем случае неодинаковы и в сумме равны току в месте
.295
Рис. 8.3. Однолинейная схема про-
дольной дифференциальной токо-
вой защиты
КЗ: !К== Н+ lII. Ток Ip==/K/KJ. Если Ip>/c,p, ОТ срабаты-
вает и через выходной opraH 08 подает сиrналы на отклю-
чение выключателей с обеих сторон элемента. При одно-
стороннем питании, например IIII===O, существует ток 121.
Можно приближенно принять, что он полностью замыка-
ется через ОТ, не ответвляясь во вторичную обмотку ТА
с .!.III ===0, так как ее сопротивление, определяемое в основ-
ном сопротивлением веtви намаrничивания (первичную об.
мотку этоrо Т А следует считать как бы разомкнутой),
обычно больше сопротивления обмотки ОТ. Поэтому I p ;:::;
;:::;121, и защита в случае Ip>/c,p также срабатывает. В об-
Ш1
Ш1
lI
Ш3
Рис. 8.4. Дифференциальные токовые защиты при числе rрупп ТА боль-
ше двух
щем случае число rрупп Т А, образующих защиту, может
быть больше двух, например при защите линии, присоеди-
няемой к шинам с одной (рис. 8.4, а) или с обеих сторон
через два выключателя, или при защите мноrоконцевоЙ
линии, присоединяемой к трем системам шин (рис. 8.4, б).
Соединяя Т А и ОТ в соответствии с положениями, изло-
женными выше, и принимая, в частности, условные поло-
жительные направления всех первичных токов (ll, III, I ш )
внутрь защищаемой зоны, имеем при внешних КЗ /I+
+.!.II+ III ==0, !2I+!2II +!..Ш1 == О, Ip==O, и защита не сраба-
тывает. При КЗ в защищаемой зоне, определяемой тремя
rруппами ТА, II+/II+/III==/K в месте повреждения. ЕСЛII
ток Iр==/К/КJ Iс,р,""защита срабатывает и отключает вы-
ключатели.
296
8.3. ТОК НЕБАЛАНСА, ТОК СРАБАТЫВАНИЯ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
прОДОЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ С ПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ
ТОКИ небаланса. При рассмотрении принципа действия
заШИТЫ по рис. 8.3 предполаrалось, что при отсутствии КЗ
в защищаемой зоне I p == О. в действительных условиях
ток 12 == !; ! , rAe приведенный намаrничивающий
ток (см. rл. 3), причем даже при в точности одинаковых
КI Т А и поэтому равенстве 1; токи I и 12 практически
BcerAa неодинаковы. В связи с этим в рассматриваемом
режиме в ОТ появляется ток, называемый током небаланса
(вторичным) :
!нб == !21 +!ш == (! I + ! II)' (8.1)
Для рис. 8.4 !нб===!jI+I.Е.II+ Ш === (!.. I + II+/ IlI)'
Наиболее просто действующие, средние и MrHoBeHHble зна-
чения тока небаланса определяются для случая, коrда со-
, 1 ,
Н!!.!. Z21 H ZпpI Z прII H Z2II 11:1: Н
W21 ) ('" R пpI ) ( R ) W2II)
R2I,L22I MI WlI прII R 2л ,L 2 2II МII W1II
l;I ' (- W21 ) ZO,T Ip Z' ( M W2II ) 1 :I:
ZOI MI W11 ОЛ II W21
К К К К
Рис. 8.5. Схема замещения защиты по рис. 8.3
I
l
.
противление цепи ОТ мало по сравнению с сопротивления-
ми Zпр «плеч» защиты вспомоrательных проводов от
вторичных зажимов Т А дО ОТ. В этом случае, если считать
СОПротивление ОТ равным нулю, каждый Т А работает не-
зависимо и для определения намаrничивающих токов мо-
[ут быть использованы соотношения, рассмотренные
в rл. 3.
Соотношения значительно усложняются при учете со-
ПрОТИвления ОТ. Первые работы в этом направлении были
Проведены лабораторией им. А. А. Смурова и СРЗиУ ТЭП
(Н. Ф. Марrолин) в начале 30-х rодов. Факторы, опреде-
ляющие Iнб в установившемся синусоидальном режиме для
схемы на рис. 8.3, выявлялись из рассмотрения ее схемы
297
замещения (рис. 8..5) в предположении, что все элементЬi
имеют линейные характеристики. Составляя для этой схе.
мы уравнения токов для узловых точек и уравнения паде.
ний напряжения для случая отсутствия К3 в защищаемой
зоне (1;, == I ;I1) и обозначая , .3: I1 ==Д Н ( 2I+
+ nP') -=---.. 2II=tZnPII) .! ' II==Д , С учетом ряда упро.
щений получаем следующее выражение для установИвше.
rося тока небаланса: !Нб (Д , д ZZ ,)l / 'о; +
+2 O'!O.T) .
Рассмотрение соотношений, получающихся в схеме, да-
ет возможность сделать следующие выводы:
ток 1 нб уменьшается с увеличением сопротивления диф-
ференцйальной цепи ZO,T. Необходимо, однако, отметить,
что при этом будет соответственно уменьшаться и ток /р
при внутреннем К3. Поэтому для рассматриваемоrо част-
Horo случая линейных цепей и установившеrося режи-
ма такое увеличение ZO,T эффекта не дает, однако с уче-
том переходных режимов и насыщения Т А увеличение Zo,'r,
как отмечалось лабораторией им. А. А. Смурова, может
быть целесообразным;
на ток I нб оказывают вЛияние совместная работа ТА
и соотношение сопротивлений плеч и ветвей намаrничива-
ния, так как падение напряжения на обмотке ОТ Д!!р>Ж::
==Zо,тI Нб определяется обоими Т А; при этом с учетом зна-
ка ДИ р менее мощный ТА (имеющий меньшее Zo) разrру-
жается, а более мощный наrружается. Выбирая сопро-
тивление плеч так, чтобы Д !I Д , ::z:::::0, теоретически
получаем IНб==О;
для снижения I нб целесообразно уменьшать наrрузку
сопротивление провода плеча Znp менее мощноrо ТА (име-
ющеrо меньшее Zo). При одинаковых ТА целесообразно
иметь равными и сопротивления плеч;
ток 1 нб возрастает с увеличением первичноrо тока внеш-
Hero К3 1,.
Для определения тока небаланса в переходном режиме
внешнеrо К3 MorYT быть составлены соотвеТСТВУЮЩl!е
,J,ифференциальные уравнения. Однако они непосредствен-
но не MorYT быть использованы, так как ИНДУКТИВНОсТJI
ветвей намаrничивания ТА нелинейны, последние насыща-
ются, причем в общем случае неодинаково и неодновре-
менно; при этом в начальные моменты К3 сказываетсЯ
наличие у Т А возможно неодинаковых остаточных индук-
298
L(ИЙ и т. д. Поэтому действитеlьные соотношения оказы-
ВаЮТСЯ весьма сложными.
Первые серьезные исследования в этой области, как уже
казывалось, были осуществлены в начале 30-х rодов в ла-
оратории имени А. А. Смурова (М. П. Поташевым).
В 40-е rоДЫ они проводились во ВНИИЭ (r. И. Атабеко-
вЫМ и др. [12]) и далее в ИЭД АН УССР (И. М. Сиротой
[69], Б. С. Стоrнием и др.). Особенно rлубокие и поле ные
исследования с разработкой конкретных рекомендации по
отстройке защиты от переходных iнб проводились в НПИ
под руководством А. Д. Дроздова Э. В. Подrорным,
В. В. Платоновым, С. л. Кужековым, С. Д. Хлебниковым,
В. В. Михайловым и др. Должны быть также отмечены
полезные исследования в БПИ (В. И. Новаш и др.),
в НЭТИ (л. В. Баrинским и др.) и некоторые друrие.
Рассматриваемым вопросом занимались и ряд зарубежных
специалистов и фирм.
Сложности получающихся соотношений для реальных
т А на практике не подбираемых в специальные комплекты
(ч;о в общем случае особоrо эффекта может и не давать)
и насыщающихся в переходных режимах, определили це-
лесообразность применения для анализа аналоrовых и циф-
ровых вычислительных машин. Для практической оценки
использовались также мноrочисленные опытные данные.
Проведенные исследования по определению переходных
iнб дали ряд ценных дополнительных соображений, кото-
рые учитываются при выполнении дифференциальных то-
ковых защит: ток i нб переходноrо режима может содер-
Жать значительные апериодические слаrающие и во MHoro
раз превосходить свои установившиеся значения, обычно не
превышающие 10 % номинальноrо тока ТА (рис. 8.6, а);
ДA
а)
Рис. 8.6. Осциллоrраммы переходных токов небаланса в ИО дифферен-
Циальных токовых защит
299
при этом i нб может иметь максимальное значение не в на-
чальные моменты возникновения К3 а несколько ПОЗЖе'
возможно возникновение переходноr iнб в трехфазны
схемах защит, имеющеrо знакопеременный характер
(рис. 8.6, 6), отмеченный (одним из первых) А. М. Ракови.
чем; время существования больших переходных i нб не Пре-
восходит долей секунды;" для снижения i"б полезно включе-
ние в дифференциальную цепь последовательно с ОТ доба-
вочноrо (обычно активноrо) сопротивления; значитеЛьное
влияние на процесс оказывают постоянные времени Т ! и Т 2
соответственно первичной цепи до точки внешнеrо К3 и вто-
ричной цепи защиты. Следует, однако, учитывать, как это
уже отмечалось в rл. 3, что для появления в токах io оп-
ределяющих iнб, больших апериодических слаrающи; по-
вреждение должно возникат'ь в моменты, коrда MrHoBeH-
ные значения напряжений в системе малы; однако пере-
крытия более вероятны при и, приближающихся к U т.
Поэтому при вероятностном подходе появление iнб с боль-
шими апериодическими слаrающими менее вероятно, чем
с малыми.
Как и для токов небаланса в фильтрах (см. rл. 3),
в дифференциальных защитах часто используется понятие
о первичном токе небаланса, имеющем, в общем, тот же
смысл, что и в фильтрах.
Ток срабатывания защит. Для обеспечения несрабаты-
вания защиты, выполненной по рассматриваемой элемен-
тарной схеме (см. рис. 8.3), при внешних К3 и качаниях,
,коrда уравнительные токи MorYT быть даже больше
1 К.ВН тах,
(8.2)
1 >/k 1
с,3 / атс нбmаХрасч'
Необходимо отметить, что токи l нб при качаниях с уче-
том отсутствия в них больших апериодических слаrающих
оказываютсЯ меньшими, чем при внешних К3. Однако при-
ходится считаться со случаями наложения К3 на качания,
коrда соотношения MorYT быть друrими. В процессе экс-
плуатации защиты приходится, в основном в случае про-
кладки вспомоrательных проводов вне пределов данной
установки, считаться с возможностью их повреждения. При
К3 между жилами вспомоrательных проводов цепь тока
ОТ шунтируется местом повреждения и защита может от-
казать при К3 в защищаемой зоне. При разрыве этих про-
водов 12 одноrо из ТА пройдет через ОТ и в случае I с . р <
<l раб защита ложно отключит неповрежденный элемент.
300
поэтому при прокладке вспомоrательных проводов вне
терРИТОРИИ установки осуществляют автоматический KOH
троль их исправности. При этом при работе устройства
контроля только на сиrнал дополнительно к (8.2) выби
раюТ 1 с,3 > 1 раб. П ростейшая схема контроля осуществляет-
сЯ включением дополнительноrо opraHa тока на ток 310
дифференциальной цепи последовательно с основными ор-
rанами, четко реаrирующеrо только на несимметричные
разрывЫ цепей циркуляции. Необходимо отметить, что та-
кой opraH может быть использован и для друrих целей
реаrирования на повреждения, связанные с замыканием на
землЮ (например, К(1), Юl,l), K1 1»,
Коэффициент чувствительности. Коэффициент чувстви-
тельНОСТИ (см. rл. 1) k ч === 1 к miп/!с,з. Расчетным обьiчно ЯВ-
ляется случай одностороннеrо питания места К3, коrда
I к miп определяется током, проходящим через одну rруп-
пу ТА.
8.4. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ОТСТРОЕННОСТИ
ПРОДОЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ С ПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ
В большинстве случаев чувствительность защиты вы-
полненной по элементарной схеме (см. рис. 8.3), OKa ЫBa
ется недостаточной, а трудность правильноrо определения
l нб mах расч может ухудшать отстроенность защиты от внеш-
них К3. Существует большое число способов повышения
чувствительности и отстроенности защиты.
Замедление действия защиты на время существования
больших переходных iнб. При этом снижается основное ка-
чество защиты быстрота срабатывания. Поэтому способ
Не рекомендуется.
Включение последовательно с цепью тока ОТ добавоч-
Horo сопротивления. Этот способ предлаrался, а иноrда
и Использовался в отечественных разработках (обычно в
=ачестве дополнительноrо мероприятия). При больших
начениях добавочных сопротивлений для защиты от пере-
наПряжений при внутренних К3 встает вопрос о необходи-
Мости шунтирования ОТ специальными устройствами (на-
Пример, нелинейными резисторами),
Использование opraHa напряжения (О Н) с большим
НУlренним сопротивлением вместо ОТ. Способ находит
н именение в ряде зарубежных ИC'fIолнений защит. Основ-
l!з Я ero идея заключается в том, что при насыщении одноrо
Т А Происходит шунтирование ОН сопротивлением jIЛе-
301
ча дифференциальной схемы с мал сопротивлением на-
маrничивания HaCbIrцeHHoro ,ТА. В предельном случае пол-
Horo насыrцения Т А напряжение на ОН равно падению на-
пряжения на сопротивлении плеча схемы от прохождения
тока HeHacbIrцeHHoro ТА. Этот случай является расчетным
для выбора уставок ОН. При использовании схемы обя-
зательно оrраничение перенапряжений с помоrцью, напри-
мер, нелинейных резистdров.
Использование сравнения фаз токов плеч. Неодинако-
вое насыrцение Т А при внешних к.з не может обусловить
изменение уrла между комплексами вторичных токов СО
значений 1800 до значений, характерных для к.з в заrци-
щаемой зоне. Поэтому может быть получена удовлетвори-
тельная отстройка от внешних к.з. Возможны различные
схемы реализации способа. Он нашел широкое применение
для осуrцествления дифференциально-фазных прОДОЛЬНЫХ
'токовых заrцит с ВЧ блокировкой (см. 8.7) и для диф-
ференциальных продольных токовых заrцит со вспомоrа-
тельными проводами (см. 8.5).
Использование апериодических слаrающих в токе i нб
для отстройки защит от переходных токов небаланса.
Способ обеспечивает заrрубление заrцит при внешних К3
двумя путями: включением ОТ через промежуточные на-
сыrцаюrциеся Т А (Т ALT) или выделением апериодической
слаrаюrцей и использованием ее для торможения специ-
альноrо дифференциальноrо ОТ, что позволяет автомати-
чески заrрублять заrциту при внешних к.з, увеличивая ее
1 с ,з (разрабатывался в СРЗиУ ТЭП [. Т. [реком и
В. Л. Фабрикантом). Возможно также заrрубление заrци-
ты при внешних к.з всеми составляюrцими iнб, кроме пер-
вой rармоники.
В отечественной практике для дифференциальных то-
ковых заrцит машин, аппаратов и шин, выполняемых на
электромеханической элементной базе, широкое примене-
ние получил первый вариант способа. В этом большая за-
слуrа коллектива НПИ (А. Д. Дроздов, В. В. ПлатоноВ
и др.), давшеrо не только rлубокий анализ получаюrцихся
соотношений, но и разработавшеrо ряд эффективных коН'
структивных решений и рекомендаций по выбору парамет-
ров заrцит, выполняемых с использованием этоrо способа
{56]. Ero cyrцHocTЬ кратко (более полно см. rл. 12) сво-
дится к следуюrцему. При внешних к.з апериодическая
слаrаюrцая iнб обусловливает насыrцение маrнитопровода
Т ALT, резкое уменьшение сопротивления ero ветви HaMar-
302
fIичивания в схеме замеrцения. В этих условиях значитель
ная часть периодической слаrаюrцей и знакопеременных
слаrаюrцих замыкается через указанную ветвь намаrничи
вания и не попадает в ОТ. Это и определяет автоматиче
ское ?аrрубление заrциты на время прохождения переход-
ных tнб. При этом 1 с ,з может выбираться меньшим чем
в схеме без Т 1 LT . При к.з в заrциrцаемой зоне ток в' диф
ференциальнои цепи кратковременно также может coдep
жать апериодическую слаrаюrцую, насыrцаюrцую Т ALT.
Однако она быстро затухает, и получаюrцееся замедление
действия заrциты обычно не превосходит нескольких де-
сятков миллисекунд. Недостатком способа является отсут-
ствие заrрубления заrциты при периодическом i Нб и малое
заrрубление при небольших смеrцениях i нб относительно
оси времени S сохранением полуволн обратноrо знака. Для
защиты линии, rде апериодические слаrаюrцие при внешних
(сквозных) к.з быстро затухают, способ применяется
редко.
В заключение необ одимо отметить, что первоначаль.
но, в 30-е rоды, первыи вариант способа был предложен
в rермании только для отстройки заrцит от бросков токов
намаrничивания трансформаторов. Однако, отчасти в свя-
зи с неудачно выбранными параметрами Т ALT, он широ-
Koro применения не получил. Эффективность ero исполь-
зования для этих целей при более правильно выбранных
параметрах Т ALT была показана в 40-е rоды опытными
исследованиями ВНИИЭ (М. И. Царев). Использование
первоrо варианта способа для отстройки от i нб , содержа-
щих апериодическую слаrаюrцую, впервые было предложе-
но в 40-е rоды в ТПИ (И. Д. к.утявин). Более подробно
рассмотрение работы Т ALT дано в rл. 12.
Использование для сравнения токов первых долей по-
лупериода промышленной частоты. В это время ТА erцe не
iспевают начать насыrцаться, работают с линейными харак-
меристиками, и поэтому при правильном выполнении схе."
H МОжно ожидать появления незначительных iнб. Выпол-
ие заrцит с учетом указанноrо фактора было предло-
Жено за рубежом (см. r л. 3) для быстродействуюrцих
б защит, осуrцествляемых на микроэлектронной элементной
аЗе.
Применение специальных ОТ с торможением. Орrанами'
ТОКа с торможением применительно к дифференциальным
заЩитам называются такие, ток срабатывания которых воз-
растает с увеличением тока в плечах заrциты за счет тор-
303.
можения, создаваемоrо этими токами. Основы теории рабо-
ты дифференциальных токовых защит применительно
к электромеханическим реле тока с торможением впеРВые
были разработаны НПИ (А. Д. Дроздов) в 30-е [оды.
В дальнейшем там же были разработаны защиты с Mar.
нитным торможением. В зарубежной практике также ис-
пользовалось маrнитное торможение. Общие принципЬi
торможения базируются на следующих рассуждениях.
Ток небаланса l нб возрастает с увеличением тока сквоз.
Horo I\З или тока качаний. Поэтому целесообразно для от-
стройки от Hero иметь при этом автоматическое увеличение
и тока срабатывания l с ,р ОТ, однако такое, чтобы при I<..З
на защищаемом элементе, коrда также под действием l к
возможно увеличение l с ,р, чувствительность защиты была
большей, чем при выполнении ее без торможения. Это ока.
зывается выполнимым при правильно выбранных значении
торможения и схеме ero реализации. Осуществление тор-
можения возможно при использовании любой элементной
базы.
Ниже рассматривается схема (рис. 8.7, а), в которой
для осуществления торможения используется ток 1211 толь-
ко одноrо ее II плеча. Предполаrая линейную зависимость
торможения от тока торможения lторм===1211, получаем ОТ,
характеристика KOToporo определяется выражением
l с ,р == l c ,pmin + k TOPM l торм ' (8.3)
[де l с ,р min минимальный ток срабатывания ОТ, соответ-
ствующий отсутствию l торм (например, при внутреннем К3
с односторонним питанием со стороны 1 плеча), выбирае-
мый так, чтобы защита была с запасом отстроена от lнб
в рабочих режимах защищаемой линии, а k TOPM коэффи-
циент торможения, который при возможности питания ТО.1Ь-
ко со стороны II плеча (откуда осуществляется торможе-
ние) должен быть меньше единицы. Зависимость (8.3)
представляет в системе координат (!с,р, 1 ТОРМ) ПРЯМУЮ
(рис. 8.7, б), отсекающую на оси l с ,р отрезок l с ,р тin; ее наклоН
к Оси 1 ТОрМ определяется k TOPM ===tg а. При нелинейной за-
висимости торможения от l торм (например, при маrнитноМ
торможении) примерный вид зависимостей 1 с,Р === f (! торм)
дан на рис. 8.7,8 (наличие семейства зависимостей опре-
деляется характерными для этоrо исполнения разбросами).
Применение защит с торможением, как указывалось выше,
должно обеспечивать их большую чувствительность. Это
ИЛЛlOстрируется соотношениями, приведенными на рис. 8.8.
304
,О::
ii
Q.
cr
....
[е,р
.5
"i
IrOPM z)
I p
ISfJ
о
I rapH
Ь)
в)
I ropH
РИс. 8.7. Схема дифференциальной токовой защиты с торможением от
тока одноrо плеча защиты (а) и ее характеристики срабатывания (6,
в и с)
Ic,3
KOTcIHO тах расу
I
Ic,3
ИС. 8.8. Сравнение чувствитель.
3 ости дифференциальных токовых
!.IaI ЦИТ с орrанами тока без тор-
ОЖения и с торможением
20 855
Рис. 8.9. Дифференциальная токо-
вая защита с маrнитным тормо-
жением от тока одноrо плеча
305
на котором представлены зависимости (в первичных
величинах) l .з без торможения и l ,з с торможением
в функции тока lK,BH внешнеrо К3. При lK,BH тах эти токи
срабатывания должны иметь общее значение, равное
kотсlНб тах расч. При М,еньших lTopM, соответствуюrчих К3
в защищаемой зоне, 1 с,з остается неизменным, а 1 с,з сни-
жается.
При определении коэффициента чувствительности k ч
защиты с торможением, характеризующеrо ее способность
срабатывать при снижении тока К3 (например, за счет
Rп), следует учитывать, что обычно для линий с уменьше-
нием 1 к уменьшаются 1 с,з и 1 торм. Поэтому определение k ч
как отношения минимальноrо тока при металлическом К3
lK min К lс,з (принятое для токовых защит) является не-
оправданным. Используются друrие способы (см., напри-
мер, [10]).
В настоящее время иноrда (для трансформаторов очень
часто) при выполнении защит на современной элементной
базе характеристики срабатывания таковы, что при токах
lторм<lраб торможение отсутствует, а при lTOPM> lраб их
наклон характеризуется б6льшим уrлом а (рис. 8.7, z). это
обеспечивает при небольших токах К3 повышение чувст-
вительности защиты kч==lк,расч/lс,р min, [де lк,расч соответ-
ствует минимальному току металлическоrо К3 в зоне
защиты (точка К на рис. 8.7, z), lc,p min определяется пересе-
чением прямой ОК (уменьшение lK за счет Rп) с тормоз-
ной характеристикой, в частности на участке, параллельном
оси lTOPM (точка К соответствует lк,расч при Rп==О).
ИЗ рассмотрения также следует, что k TOPM для приве-
денной схемы при наличии питания места сквозноro К3 со
стороны включения торможения должен быть меньше 1.
При kTOPM l защита будет отказывать в работе в случае
повреждения на защищаемом элементе.
'Jt; OpraHbI тока с торможением для дифференциальных за-
щит вне зависимости от элементной базы MorYT иметь раз-
ные варианты исполнения. Так, например, возможно осу-
ществление независимоrо торможения от токов не одноrо,
а обоих плеч создание симметричных схем торможения,
при которых ;орможения от токов плеч при внутренних К3
действуют в разные стороны, повышая чувствительность
защиты, и т. д. (см., например, [10]).
Особо выполняется и маrнитное торможение. Оно осу-
ществляется дополнительным подмаrничиванием проме-
306
жуточноrо трехстержневоrо насыщающеrося Т ALT токами
плеЧ, например плеча II (рис. 8.9). Такой TALT по рис. 8.9
имеет три обмотки: рабочую первичную с числом витков
Wlраб, расположенную на среднем стержне; рабочую вто-
ричную с числом витков на каждом крайнем стержне
W2раб, питающую обычный максимальный opraH тока ОТ,
и тормозную с числом витков W TOPM на каждом крайнем
стержне; при этом результирующее число витков послед-
ней, приведенное к среднему стержню, оказывается равным
WTOPM (без удвоения, если учитывать разветвление потока
среднеrо стержня). Рабочая обмотка (первичная) вклю-
чается на !раб J 21+j2II, тормозная, как отмечено выше,
на lTOPM==12I!.
'в общём случае обмотки MorYT размещаться на стерж-
нях различным образом при обязательном выполнении сле-
дующих условий: тормозная система не должна создавать
тока в ОТ, а под воздействием тока плеча должна только
насыщать маrнитопровод и за счет этоrо ухудшать маrнит-
ную связь между первичной и вторичной обмотками рабо-
чей системы; ток в обмотке Wlраб раб==!2!+!2I! должен
создавать в секциях W2Раб складывающиеся эдс.
С возр-астанием lTOPM увеличивается насыщение край-
них стержней Т ALT, lраб трансформируется в W2раб хуже
и поэтому в условиях срабатывания вторичный lс,з,в==lраб
увеличивается, хотя lc,p ОТ остается неизменным.
Промежуточные Т ALT выбираются со значительными
ИНДукциями при срабатывании. При внешних К3 и нали-
чии в lраб==lнб апериодической слаrающей они rлубоко
насыщаются и плохо трансформируют в W2раб не только
апериодическую слаrающую, но и весь lнб. Поэтому рас-
сматриваемые Т ALT MorYT одновременно использоваться
как для осуществления маrнитноrо торможения, так и для
отстройки от 1 нб, содержащих апериодические слаrающие.
В этом заключается преимущество маrнитноrо торможе-
Ния по сравнению с обычным.
Торможение в настоящее время широко применяется
При выполнении дифференциальных токовых защит. Одним
из ero недостатков в обычном исполнении является невоз-
МОЖность отстройки от больших переходных значений 1 нб
В Связи с невозможностью иметь большие k TOPM ' В этих
случаях применительно к защитам линий такое торможе-
НИе сочетается, например, со сравнением не MrHoBeHHbIx
Значений токов, а их фаз.
20* 307
Существовали предложения о выполнении opraHoB то-
ка с торможением, которые при внутреннем К3 ТОрМОЖе-
ния не имеют и поэтому как будто MorYT иметь очень боль-
шие торможения при внешних К3. Однако, как показали
исследования (см., например, [10]), это не так и ПРИНЦипи-
ально они выиrрыша в чувствительности не дают.
Необходимо отметить,', что принцип торможения, перво-
начально использовавшийся только в дифференциальных
защитах, в последние [оды получил применение и в друrих
областях. Так, например, с ero помощью повышают чувст-
вительность по тока обратной последовательности в бло-
кировках при качаниях, автоматически заrрубляя их при
токах качаний, обусловливающих повышенные токи неба-
ланса в фильтрах тока, заrрубляют по току в тех же ре-
жимах opraHbI направления мощности обратной последова-
тельности продольных направленных защит линий и т. п.
8.5. ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ
ЗАЩИТ С ПРОБОДНЫМ КАНАЛОМ
Схемы с циркулирующими токами в рассмотренном вы-
ше исполнении MorYT применяться только для линий малой
,В.лины, при Т А с 1 2Ном === 5 А не. превосходящей несколько
сотен метров (например, линии собственных нужд ;тан-
ции). При б6льших длинах и обеспечении допустимои на-
rрузки на Т А, определяемой сопротивлением плеч, сечение
вспомоrательных проводов оказывается недопустимо боль-
шим. Возникают также затруднения с выбором места
включения ОТ, действием их на выключатели, с обеспече-
нием чувствительности, надежности каналов связи и др.
В СССР, как и за рубежом, были разработаны защиты,
в которых применяются мероприятия по преодолению этих
затруднений. Ниже в качестве примера рассматривается
выполнение защиты, часто используемое на практике. Не-
обходимо при этом отметить, что это выполнение, как
и друrие существующие, обладает некоторыми недостатка-
Ми. В связи с этим отечественными орrанизациями рпи
(Л. А. Орехов и др.). чrу (В. А. Борисов и др.), ЭСП
ведутся работы по созданию более совершенных выполне-
ний рассматриваемых защит.
Принципы выполнения существующей защиты с элект-
ромеханИчесКИМ реле (рис. 8.1 О). ДЛЯ сокр ащения числа
жил вспомоrательных проводов (до двух), обеспечения
большей чувствительности при несимметричных К3, упро-
308
IденИЯ защиты в целом она выполняется (рис. 8.10, а) од-
f_lOсистемной, включаемой через комбинированные фильтры
тока ZA' и ZA". Лучшими считаются фильтры !1+kI:l;
в связи с дифференциальным выполнением защиты эти
фильтры не имеют недостатков, делающих их мало при-
rОДНЫМИ для токовых защит. Коэффициент k не может,
О чевиДНО выбираться равным единице, так как в случае,
, (2) .
например, Квс в защищаемои зоне и в маркировке филь-
тра на фазу А как особую ток на ero выходе равнялся бы
11
Рис. 8.1 О. Структурная схема продольной дифференциальной токовой
защиты линий (а) и упрощенная схема ,контроля исправности вспомо-
rательных проводов (б)
нулю (1IА 1 2А ). Коэффициент k выбирается таким обра-
зом, чтобы при несимметричных К3 в защищаемой зоне
соблюдалось соотношение k12> 11. При этом обеспечивает-
ся преобладающее значение токов 12, которые всеrда име-
ЮТ примерно одинаковые с обеих сторон участка фазы.
Коэффициент k желательно выбирать достаточно большим
(как правило, положительным). Однако ero максимальное
значение оrраничивается прежде Bcero значительными по-
rрешностями фильтров при больших токах 1 3). обусловли-
вающими появление недопустимых токов небаланса.
Практически для применяемых конструкций фильтров зна-
чение k оrраничивают 8 10. В сетях с изолированной
нейтралью (и ном::::;;З5 кВ), имеющих двухфазное исполне-
НИе защит, фильтры целесообразно включать по предложе-
309
иию Н. И. Овчаренко (МЭИ) на токи двух фаз (А и С)
и ток в обратном проводе.
Предусматриваются два дифференциальных реле тока
с торможением КА W' и КА W" (рабочие обмотки которых
вк-:!ючаются параллельно друr друrу) по одному на каж
дo подстанции. Через выходные промежуточные реле они
деиствуют на отключение соответственно выключателей Q'
и Q".
Для уменьшения наrрузки на Т А и возможности выбо-
ра вспомоrательных проводов малоrо сечения токи, цирку-
лирующие по последним, снижаются промежуточными
Т AL: при снижении токов в п раз наrрузка от вспомоrа-
тельных проводов уменьшается в п 2 раз. В защите эту
функцию выполняют изОлирующие Т Аи и Т AL" а также
дополнительно Т ALT' и Т ALT". Необходимо, однако, OT
метить, что указанная трансформация во столько же раз
увеличивает приведенную емкость между жилами, KOTO
рая, шунтируя рабочие обмотки реле, может неблаrопри
ятно сказываться на работе защиты.
Промежуточные трансформаторы Т ALT ВЫПОлняются
насыщающимися. Это не только обеспечивает дальнейшее
снижение наrрузки на ТА, но при rлубоком насыщении
Т ALT превращает защиту в сравнивающую не MrHoBeHHbIe
токи, а их фазы.
В качестве вспомоrательных проводов обычно. приме-
няются жилы бронированноrо кабеля, иноr да кордельноrо
кабеля, используемоrо одновременно для друrих систем-
ных нужд. Кабели во мноrих случаях прокладывают-
ся вдоль трассы линии. Поэтому при КЗ на землю в
сети во вспомоrательных проводах наводятся ЭДС влия-
ния. Ем == kэffiМlI, rде k э < 1 коэффициент, учИтываю-
щии экранирующее действие оболочки кабеля; шМ
удельное сопротивление взаимоиндукции между кабелем
и л"инией; l длина участка сближения; 1 ==310 влияю-
щии ток.
Электродвижущие силы Е вл в обоих проводах пример-
но равны, токов в защите не обусловливают и MorYT быть
опасны только для обслуживающеrо персонала, а также
для изоляции кабеля и защитной аппаратуры. Поэтому
Т A"L испОльзуются и для rальваническоrо разделения це-
пеи ИО и вспомоrательных проводов. Необходимо, однако,
отметить, что замыкание вспомоrательноrо провода . на
землю может приводить к излишнему срабатыванию защи-
ты [IJ. В связи с изложенным заслуживает внимания при-
310
менение оптико-волоконных кабелей (см. rл. 1), имеющих
хорошую помехозащищенность.
Повреждение вспомоrательных проводов может приво-
дить к отказам или излишним срабатываниям защиты. По-
этому она снабжается специальным контролем исправно-
сти вспомоrательных проводов. К устройству контроля,
автоматически выводящему защиту без выдержки време-
ни, предъявляются очень жесткие требования по быстро-
действИЮ. При работе устройства на сиrнал приходится
выбирать I с ,з>l раб , что заrрубляет защиту. Устройства
контроля чаще Bcero выпОлняются по схемам, исполь-
зующим наложение постоянноrо тока от постороннеrо
источника тока. Впервые они были предложены на ХЭМЗ
И. А. Кравцовым в 30-е rоды. В дальнейшем был разрабо-
тан ряд их модификаций в СРЗиУ ТЭП и Мосэнерrо. Спо-
соб основывается на том, что накладываемый постоянный
ток. не может обусловить срабатывание защиты, работаю-
щеи на переменном токе.
На рис. 8.10, б приведена упрощенная схема устройст-
ва контроля. Схема выполнена с циркуляцией постоянноrо
тока по вспомоrательным проводам при их исправном со-
стоянии. Вторичные обмотки Т AL выполняются в виде двух
секций, соединенных. разделительным конденсатором С'
(С"), представляющим собой бесконечно большое сопро-
тивление для постоянноrо и малое для переменноrо тока.
К зажимам конденсатора С присоединяется источник BЫ
прямленноrо тока, получающий питание от измерительноrо
TV. Минимальные быстродействующие реле тока контроля
КА' и КА" включаются последовательно в цепь циркуля-
ции тока соответственно со стороны источника питания и
приемной стороны. Замыкающие контакты этих реле конт-
ролируют цепи выходных реле защиты.
При обрыве вспомоrательных проводов реле контроля
КА срабатывают, выводят защиту из работы и действуют
на сиrнал.
При замыкании между вспомоrательными проводами
срабатывает только реле контроля с приемной стороны
КА". Для предотвращения выведения защиты из работы
при к:.З на защищаемой линии, коrда напряжение питания
УСтроиства контроля может снижаться до нуля, предусмат-
ривается подпитка в течение 1 3 с реле КА от конденса-
тора С.
Устройство контроля должно при обрывах вспомоrа-
тельных проводов срабатывать быстрее защиты. Этому
3!!
nрепятствуют переходные процессы в цепи контроля, оп-
ределяемые емкостями конденсаторов. Поэтому реальная
схема выполнения устройства с учетом отстройки от них
оказывается значительно более сложной. Однако и при
этом защита с контролем, действующим на BЫBeдeH e ее
из работы, оказывается не очень быстродействующеи.
Дополнительно в устройс ве контроля предус атрива
юте я приспособления для периодических измерении сопро
тивления изоляции вспомоrательных проводов относитель-
но земли и тока контроля, а также заземляющий дроссель,
оrраничивающий напряжение на вспомоrательных прово-
дах относительно земли при появлении больших ПQтен-
циалов на заземляющем контуре электроустановки.
Изложенные принципы осуществления продольной
дифференциальной защиты и контроля исправности вспо
моrательных проводов приняты в выпускаемой промыш-
ленностью защите типа ДЗЛ.
В схемах с двумя комплектами реле возникают усло
вия для появления дополнительной слаrающей 1 нб,д, об
условленной сопротивлением соединительных проводов
Zпр; в пределе при Zпр--+ОО Iнб,д===lраб. Практически при
небольшой длине линий, принятии мер к уменьшению при-
веденноrо сопротивления Zпр Iнб,д невелики и обычно спо
собы отстройки от Iнб достаточны и для рассматриваемоrо
явления. Для линий относительно большой длины влияние
параметров соединительных проводов рассматривалось за
рубежом (rамильтоном) и в Советском Союзе (В. Л. Фаб
рикантом, Л. А. Ореховым и Я. С. rельфандом). "
Основные отрицательные показате.'!И рассмотреннои
схемы, как и друrих ей подобных, определяются вспомоrа
тельными проводами (см. rл. 1): нарушение их исправно-
сти, что не исключено, может приводить к длительному
выходу защиты из работы и отказам функционирования
(при несовершенстве устройства контроля); стоимость ocy
ществления защиты, в основном определяемая затратами
на провода и их прокладку, растет примерно пропорцио-
нально длине участка и может быть большой; быстродей-
ствие защиты при используемых способах контроля исправ-
ности проводов является сильно оrраниченным. Необходи-
мо также отметить затруднительность применения сущест-
вующих схем защиты для мноrоконцевых линий (например,
линий с ответвлениями).
С учетом 'изложенноrо области применения защиты, в
особенности при существующих устаревших способах ее
выполнения, являются весьма оrраниченными. Ее иноrда
применяют для линий длиной до нескольких километров
при нецелесообразности или невозможности использования
друrих, более эффективных защит.
8.6. ПРОДОЛЬНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
С 8Ч КАНАЛАМИ И РАДИОКАНАЛАМИ
В общем случае для защит, в которых информация
о сравниваемых токах двух сторон участка передается по
ВЧ или радиоканалу (см. rл. 1), можно, как и для направ-
ленных защит, (см. rл. 7) рассматривать использование
блокирующих сиrналов (БС) и разрешающих сиrналов
(РС), выполняемых нормально присутствующими (НП)
и нормально отсутствующими (НО) токами в канале. Од-
нако для дифференциальных токовых защит в отличие от
направленных количество возможных вариантов значитель-
но возрастает за счет необходимости манипуляции (управ-
ления) ВЧ и радиосиrналами токами промышленной час-
тоты, а также возможности производить эти манипуляции
в один и тот же или разные полупериоды указанных токов.
Выполненные в РПИ работы [напрмер, rэ-яо-цзун (КНР1
намечали наиболее целесообразные для применений вари-
анты, причем они оказались разными при ВЧ и радио ка-
налах.
Пока широкое применение имеют только защиты с ВЧ
каналами. Для них, как и для направленных защит, целе-
сообразно использование БС с НО токами ВЧ. Такое вы-
полнение не требует передачи сиrналов через место по-
вреждения на защищаемом участке; они используются
только на неповрежденных участках для блокирования
действия защит последних.
Возможно сравнение модулей и фаз или только фаз то-
ков. Обычно применяется последнее как упрощающее ВЧ
часть защиты (требуется один, а не два сиrнала) и обеспе-
чивающее отстройку от переходных режимов внешних КЗ,
коrда ТА MorYT работать с большими токовыми поrрешно-
стями. Защиты выполняются односистемными, осуществ-
ляющими сравнение токов, получаемых через комбиниро-
ванные фильтры, обычно {1+k!2, а не пофазное сравнение
токов; это не только упрощает защиту и канал, но и обе-
спечивает ее большую чувствительность к несимметричным
КЗ.
312
313
Необходимо, однако, отметить, что и сравнение фаз TO
ков Il+kI2 имеет некоторые недостатки:
защита может отказать в действии на линии с большой
наrрузкой при обрыве фазы с односторонним КЗ на землю
[2] (с этой точки зрения было бы предпочтительней сравни
вать не фазы, а модули и фазы токов), как подчеркива
лось, например, Хо Дя Ли (КНР);
возможны значительные фазовые поrрешности фильт
ров при больших k, которые иноrда хотелось бы принимать
для обеспечения kI2 Il.
Защиты должны иметь ПО, отстраиваемые от токов pa
бочих режимов линий, как и направленная защита с ВЧ
блокировкой, использующая фазные величины (см. rл. 7).
Первые данные о дифференциальных токовых защитах
с ВЧ блокировкой относятся к концу 20 x rодов. однако
только в конце 40 x начале 50 x rодов были проведены
успешные работы во ВНИИЭ и ЦЛЭМ Мосэнерrо по co
зданию более совершенных вариантов этой защиты. В pe
зультате ВНИИЭ (Е. д. Сапир и др.) была создана отече
ственная дифференциально фазная защита, значительно
лучшая, чем зарубежные.
Необходимо, однако, отметить, как это обосновывалось
в rл. 7, что в последнее время вновь стали отдавать пред
почтение продольным направленным защитам, косвенно
сравнивающим электрические величины по концам защи
щаемоrо участка. Поэтому ниже кратко рассматриваются
только некоторые особенности дифференциально фазных
токовых зашит с В Ч блокировкой.
(рис. 8.12), для которых приняты условные положительные
направления внутрь защищаемой зоны.
Как н в продольных направленных защитах (см. rл. 7),
более чувствительные элементы основных ПО пускают ВЧ
приемопередатчики, которые посылают и принимают ВЧ
сиrналы, менее чувствительные подrотавливают цепи OT
ключения. Для обеспечения надежноrо блокирования за-
'Щиты при внешнем КЗ передатчики пускаются до начала
сравнения фаз, а останавливаются с некоторой задержкой
после отключения повреждения. При этом предусматрива
Рис. 8.11. Структурная схема дифференциально-фазной ВЧ защиты ти-
иа Д ФЗ
8.7. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО ФАЗНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТ А С ВУ
БЛОКИРОВКОй, РАЗРАБОТАННАЯ ВНИИЭ
314
ется немедленная остановка передатчика при внутреннем
К3 и отключении выключателя сначала только с одной из
сторон линии (для предотвращения блокирования полу-
комплекта защиты противоположной стороны линии на не-
которое время, определяемое указанным замедлением оста-
новки передатчиков). Это мероприятие сокращает время
Аиквидации КЗ при каскадном действии защиты. Указан-
ные операции осуществляются лоrической частью защиты.
е помощью opraHa управления передатчиком (opraHa
манипуляции), обеспечивающеrо работу передатчика в те-
чение каждоrо положительноrо полупериода промышлен-
ной частоты, производится передача фазы манипулирую-
щеrо тока !1+ I2 со стороны данноrо полукомплекта. При
315
Принцип действия и выполнение. Отечественной про
мышленностью выпускались несколько вариантов paCCMaT
риваемой защиты, предназначенной для работы в сетях от
110 до 500 кВ включительно. Принципы работы этих Ba
риантов защиты одинаковы. Ниже рассматривается работа
защиты на примере более простоrо выполнения ее для ce
тей 110 220 кВ. Структурная схема защиты, принятая
в методических работах МЭИ (Э. И. Басе, Н. И. Овчарен
ко), дана на рис. 8.11. Измерительная часть схемы вклю-
чает ПО, opraH управления передатчиком и opraH cpaBHe
ния фаз токов 11 +kJ2 по концам защищаемой линии ЕВ
Внешнее Кз Б КЗ В защищаемой зоне В
DtD 1 К D1
1\ f\ f\ f\ Напряжение
на Выходе
V V V V t Z :foa конца
f\ А f\ f\ Напряжение
на Выходе
V V V V t фильтра
удаленноzо конца
ВЧ сиzналы
с aaHHozo конца
А
ro
а) f\ f\ f\ f\
V V V V t
а} f\ !\ f\ f\
VVVV t
вуии ин
Z)
ННt
а)
ВЧ сиzналы
с удаленноzо конца
ВЧ сиzналы
на Входе
приемника
Практически токи двух сторон линии при внутреннем
КЗ часто сдвинуты на значительный уrол, опрер.еляемый
сдвиrом фаз ЭДС частей системы, неодинаковыми уrлами
сопротивлений этих частей, поrрешностями т А и комбини-
рованных фильтров, создающих ток, пропорциональный
!1+k!2' а также свойствами фильтров. Поэтому желатель-
но увеличение уrла между этими токами, при котором за-
щита моrла бы срабатывать. Ero предельное значение, од-
нако, оrраничивается условиями предотвращения излиш-
них срабатываний защиты за счет разницы в уrловых
поrрешностях тех же Т А, фильтров, конечной скорости рас-
пространения электромаrнитных волн (см. rл. 1) и сдвиrа
фаз первичных токов, определяемоrо емкостной проводи-
мостью защищаемоrо участка. Зона блокирования защиты
обычно составляет 40 500, и, следовательно, допустимый
сдвиr по фазе сравниваемых токов 11+Н2 при внутренних
КЗ меньше 140 1300, что обычно приёмлемо. При одно-
стороннем питании места К:З, коrда ПО с прием ной сторо-
ны не срабатывают, БС нет и защита может срабатывать.
Однако при обычно используемых ПО последние иноrда
MorYT сработать с прием ной стороны, например от бросков
тока двиrателей потребителей, от тока несимметрии, и за-
пустить свой передатчик, который будет посылать сплош
ные БС. ДЛЯ предотвращения затяrивания отключения К:З
в таких случаях приходится принимать специальные меры.
Некоторые особенности выполнения пусковых opraHoB.
Защита выполняется для действия при всех видах КЗ в се-
тях с rлухозаземленными нейтралями, в том числе и при
К(3). Однако основные ПО защиты' включаются на состав-
ляющие токов обратной последовательности 12 или сумму
абсолютных значении I!21 +k'J{ol. Для повышения их чув-
ствительности иноrда используются также компенсирован-
ные напряжения обратной последовательности; тоrда opra-
ны включаются на 1i:'2 2K!21+k"l!ol, [де 2К СОПрО-
тивление компенсации, соответствующее части защищаемоrо
участка. Действие при ЮЗ) обеспечивается за счет хотя бы
кратковременно появляющейся в начальный момент несим-
метр ии; при этом кратковременное срабатывание указан-
ных opraHoB фиксируется при ЮЗ) дополнительным ПО
сопротивления, включаемым, как это принято в дистанци-
онных защитах, на !!.м,ф и соответствующее ему !мФ. В за-
щите предусматриваются также дополнительные opraHbl
е)
ппп п Ток на Выходе
............L.. приемника
t t
Рис. 8.12. Действие защиты по рис. 8.11 при внешних К3 и К3 в защи-
щаемой зоне
емники принимают ВЧ сиrналы как cBoero передатчика,
так и друrой стороны и выполнены так, что выдают токи
в opraHbl сравнения фаз только при отсутствии принимае-
мых сиrналов. Манипулирующие токи сфазированы таким
образом, что передатчики при внешних К:З работают в раз-
ные полупериоды, создавая в совокупности в приемниках
непрерывные ВЧ сиrналы и тем самым обеспечивая несра-
батывание защиты. При внутренних К:З принимаемые при-
ем никами ВЧ сиrналы имеют скважности, за счет которых
обеспечивается срабатывание защиты. Так осуществляется
сравнение фаз токов !1+ J2 по концам линии. .
Работа защиты, выполненной указанным образом, ил-
люстрируется обычно приводимыми условными диаrрамма-
ми, данными на рис. 8.12, а е для внешнеrо и внутренне-
[о КЗ со сдвиrом фаз сравниваемых токов на 1800 в первом
случае и при отсутствии TaKoBoro во втором.
316
317
ОТ, включаемые на фазные токи Iф, отстраиваемые от
I Раб тах линии.
Более чувствительный ОТ обеспечивает пуск ВЧ пере-
датчика и поэтому позволяет облеrчить выполнение филь-
тров 12 ПО, поскольку не требуется оrраничение их неба-
лансов при внешних К(3) и качаниях с токами, превышаю-
щиМи I Раб тах. Более rрубьfЙ ОТ позволяет обеспечить
срабатывание защиты при К(3) без предварительной несим-
метр ии, коrда фильтровый ПО может отказать.
Лоrическая часть. Особенности лоrической части защи-
ты определяются рассмотренными принципами ее действия
и выполнения. Она осуществляет лоrические операции
ИЛИ, И, ИЛИ НЕ, ВРЕМЯ, ПАМЯТЬ (см. рис. 8.11).
Пуск передатчика и подrотовка цепей отключения от ПО
происходит через лоrические элементы или 1 и ИЛИ2.
Посылка передатчиком ВЧ импульсов имеет место при на-
личии сиrнала от ПО и напряжения от opraHOB манипуля-'
ции через лоrический элемент и, который выполнен в соб-
ственно передатчике. Передатчик должен запускаться да-
же при кратковременном срабатывании основных по; это
обеспечивается элементом временной памяти П 1. Останов-
ка передатчика с некоторой задержкой осуществляется эле-
ментом времени В1, запускаемым чувствительными эле-
ментами ПО 12 и I ф при их возврате, т. е. через элемент
или НЕ. Работа защиты на отключение происходит при
срабатывании более rрубых элементов ПО и появлении
сиrнала на выходе opraHa сравнения фаз, что обеспечива-
ется элементом И2. Подrотовка цепей отключения указан-
ными ПО осуществляется с помощью лоrическоrо элемента
ИЛИ2; при этом подrотовка этих цепей от opraHa сопро-
тивления возможна при хотя бы кратковременном сраба-
тывании более чувствительноrо элемента OCHoBHoro ПО 12
через элемент временной памяти П2, что обеспечивается
элементом И 1. Память П2 снимается элементом времени
В2, пускаемым opraHoM сопротивления.
Учет поперечной емкостной ПрО80ДИМОСТИ защищаемой
линии. При рассмотрении дифференциальных токовых за-
щит выше предполаrалось, что от влияния поперечной ем-
костной проводимости защита может отстраиваться соот-
ветствующим выбором ее параметров срабатывания. Од-
нако для длинных линий сверх- и ультравысокоrо
напряжения, имеющих значительные емкостные проводи-
мости, такое решение вопроса, как показали исследования
ЭСП (В. М. Ермоленко, С. Я. Петров) и ВНИИЭ (Е. д. Са-
318
пир), оказывается неприемлемым. Емкостные проводимо-
сти обусловливают емкостные слаrающие токов, наличие
которых приводит к неравенству токов в полукомплектах
защит в случаях внешних К3 и рабочих режимов. Это нера-
венство может даже определять направление токов с двух
сторон внутрь неповрежденной линии, как при внутреннем
К3 (в случае повреждения на одной из параллельных це-
пей или на обходной связи). В результате при внешних К3
возникает возможность излишнеrо срабатывания защиты
при выполнении ее с требуемой чувствительностью.
Для обеспечения правильноrо действия защиты при
внешних К3 применяется искусственное выравнивание вто-
ричных сравниваемых токов в полукомплектах защиты ком-
пенсацией eMKocTHoro тока. Условие выравнивания токов
записывается в виде !I+!IK==!I1+!I1K, rде !IK и {Пк ком-
плексы токов компенсации соответственно на сторонах с
токами !I и !I1, определяемыми !1 +k!2. Учитывая, что для
четырехполюсника, которым может быть заменена защи-
щаемая линия, И I== I1+ !I1 и I ':!.П+!!!I1; Q
BC== 1, получаем следующую связь между токами ком-
п енс ации: JIK !I1K== (1---!?)!!I /B ( 1) !!..I1/B. Приведен-
ное соотношение может иметь множество реализаций.
Конкретные решения принимаются с учетом сложности
выполнения и Toro, что компенсация может снижать ре-
зультирующую чувствительность защиты. Так, например,
простое решение получается при питании компенсирующих
устройств только от TV в месте включения полукомплектов
защиты. В этом случае токи компенсации определяются вы-
ражениями !IK== (1 Q) И I /!! и !IIK== 1) И Il /!!. Однако
такое выполнение компенсации может быть не лучшим
с точки зрения чувствительности защиты.
Общая оценка защиты. Как указывалось выше, разра-
ботанные в Советском Союзе (ВНИИЭ) дифференциально-
фазные защиты разных исполнений с общим названием
ДФ3 зарекомендовали себя с хорошей стороны. ИХ недо-
статками по сравнению с направленными защитами с ВЧ
блокировкой являются несколько меньшее быстродействие
(определяемое тем, что в момент начала сравнения фаз при
внутреннем К3 ВЧ импульсы с двух сторон MorYT оказы-
ваться временно блокирующими защиту), более высокие
требования к ВЧ каналу, меньшая приспособленность для
защиты линий, имеющих ответвления. Необходимо также
отметить, что при происходящем переходе на новую эле-
319
ментную базу (интеrральную микроэлектронику) потребо-
валась бы существенная переработка защиты. Поэтому
было принято решение перейти на использование направ-
ленных защит. Однако они не приспособлены для защиты
линий в цикле ОАПВ. В связи с этим в направленных за-
щитах для ответственных линий сверхвысоких напряжений
предусматривается их перевод в дифференциально-фазные
на время этоrо цикла [55}. "
пи возникает КЗ. Поэтому ОНМ, включенные так, чтобы
срабатывать, как и у токовых направленных защит, при
направлении мощности КЗ в данной цепи от шин в линию,
будут выбирать поврежденную цепь и обеспечивать ее от-
ключение.
Упрощенная структурная схема защиты приведена на
рис. 8.13, б. Защита требует Использования отдельных ПО
дЛЯ обеспечения прежде Bcero отстройки ее от токов неба-
ланса 1 нб дифференциально включенных т А при внешних
КЗ, коrда чувствительные ОНМ MorYT срабатывать под
воздействием остаточных напряжений и I нб , имеющих про-
извольную фазу. Дополнительным назначением ПО може'l
явиться необходимость предотвращения неправильноrо
срабатывания защиты при отключении в рабочих режимах
выключателя одной из цепей с ПРОтивоположной стороны
линии.
Предусматривается выведение защиты из действия при
отключении выключателя любой из защищаемых линий,
осуществляемое разрывом цепи оперативноrо тока контак-
том ero реле ПОложения «включено» KQC (например, по
варианту, указанному на рис. 8.13, б). Указанное требует-
8.8. ПРИМЕНЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ
ТОКОВЫХ И ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ ЗАЩИТ
Поперечные дифференциальные защиты применяются
для параллельных цепей с одинаковыми или не очень рез-
ко различающимися параметрами, присоединяемых к ши-
нам через отдеЛьные или иноrда общие выключатели (см.
рис. 8.1, б и в). Их выполнение основывается на том, что
токи в параллельных цепях при нормальной работе и внеш.
них КЗ бывают одинаковыми или не сильно различающи-
мися, а при возникновении К3 на одной из цепей становят-
ся неодинаковыми. Для цепей с отдельными выключателя-
ми MorYT применяться защиты, сравнивающие абсолютные
значения токов цепей (балансные защиты) или токи и на-
правления мощностей в цепях. Балансные защиты приrод-
ны для установки только с питающих сторон и в отечест-
венной практике используются редко. Применение находят
поперечные дифференциальные токовые направленные за-
щиты, которые рассматриваются ниже.
ТА
а)
а}
В.9. ПОПЕРЕЧНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ
НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
Принцип действия и выполнение. Защита используется
для двух параллельных цепей, присоединяемых к шинам
через отдеЛьные выключатели. При повреждении на одной
из цепей защита должна отключать только ее, оставляя
в работе вторую цепь. Это достиrается включением комп-
лектов защиты на обеих сторонах цепей и использованием
в них двух ОНМ или одноrо двустороннеrо действия, вклю-
чаемых на разность комплексов токов цепей 1 и II и на-
пряжение на шинах (рис. 8.13, а). Вектор напряжения на
шинах не зависит от Toro, на какой цепи происходит КЗ; раз-
ность же токов цепей будет опережать вектор напряжения
или отставать от Hero в зависимости от Toro, на какой це-
Рис. 8.13. Структурная схема поперечной дифференциальной токовой
направленной защиты параллельных цепей
ся по двум причинам. Во-первых, защиты стороны MorYT
работать каскадно при расположении места КЗ ближе к ok
ной из сторон линии, так как в этом случае необходимая
для срабатывания ПО разность токов цепей вначале может
быть только с одной стороны. После отключения одноrо
выключателя поврежденной цепи ток и мощность КЗ в ней
оказываются равными нулю. Поэтому тот же комплект
защиты переориентируется на отключение неповрежденной
цепи. Очевидно, что в этом случае оперативный ток с ука-
занноrо комплекта должен сниматься автоматически. Во-
320
21 855 .
321
вторых, после отключения одной из цепей с одной или обе
их сторон защита может срабатывать излишне при внеш
них КЗ. Следует отметить, что в последнем случае опера-
тивный ток СО стороны, rде оба выключателя остаются
включенными, должен сниматься, например от руки на-
кладками.
Особенности выполнения ПО. В простейшем случае (на-
пример, для защит линий н'апряжением иHOM 35 кВ) ПО
выполняются токовыми. Ток срабатывания защиты выби
рается в этом случае по двум условиям: 1) как и для
всякой дифференциальной токовой защиты, Iс,з
kотс/нб тах расч; 2) комплект защиты данноrо конца не
должен срабатывать при отключении одной из цепей с дру-
roro конца, так как мощность на данном конце может быть
направлена от шин в линию, поэтому Iс,з kотс/раб max/k Bu '
Ток Iс,з выбирается по большему из полученных значении
с учетом Toro, что 1 нб тах расч может быть больше, чем
продольных защитах, за счет неравенства сопротцвлении
параллельных цепей.
Выполнение ПО защит сетей с иHoM 1 10 кВ, работаю-
щих с rлухозаземленными нейтралями, обычно осуществ
ляется по-друrому. Учитывается, что I с ,з должен в этом
случае отстраиваться дополнительно от токов неповреж-
денных фаз при К(!) и K(I,!), которые моrли бы приводить
К неправильному срабатыванию защиты в режиме KacKak
Horo отключения повреждения [1]. Эта отстройка может при-
водить к ее недопустимому заrрублению. Поэтому рас-
сматриваемые защиты, как и токовые направленные (см.
rл. 5), включенные на полные токи фаз, при К(1) и К(1,!)
автоматически выводятся из действия. Для работы же ис-
пользуется специальный комплект нулевой последователь-
ности. В целях повЫШения чувствительности последнеrо по
току в СРЗиУ ТЭП Т. В. Смирновой было предложено
осуществлять комбинированный пуск от разности токов
3/0 и напряжения зи о (которое не появляется при между-
фазных КЗ) по схеме И, действующей на запрет работы
междуфазноrо комплекта. Для повышения чувствительно-
сти последнеrо вводится дополнительный пуск от opraHoB
напряжения (ОН), включаемых с ОТ по схеме И; при этом
ток срабатывания ОТ не должен отстраиваться от I Раб тах,
так как при одностороннем отключении цепи ОН не сраба-
тывает.
Проверка чувствительности. Чувствительность защиты
оценивается коэффициентами чувствительности пусковоrо
322
opraHa, зоной каскадноrо действия и мертвой зоной ОНМ
междуфазноrо комплекта. Коэффициенты чувствительности
k ч определяются для двух режимов: при включенных BЫ
ключателях с обеих сторон цепей и в реЖиме каскадноrо
отключения, коrда выключатель с ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ сторо-
ны поврежденной цепи уже отключен. В первом случае до-
статочно обеспечить необходимый k; при К3 в точке Кр,ч,
rде чувствительности защит обеих сторон линии одинако-
вы (предложено в ЭСП Т. Н. Дородновой И Э. П. Смирно-
вым). При этом учитывается, что при К3 в друrих местах
цепей чувствительность одной из защит будет увеличивать
ся. Нетрудно показать, что положение точки Кр,ч, харак-
теризуемое расстОянием lр,ч от шин, например, подстанции
Б (рис. 8.l4,a), определяется как lр,ЧБ ==LIс,3А/(Iс,зА +
+ I с . зБ ) Jl.
В частном, но распространенном случае, коrда токи
срабатывания защит равны (1 сз,А ::= I с . зБ ), lр,ч == 0,51, т, е.
Кр,ч лежит посредине цепи.
Коэффициент чувствительности в точке Кр,ч равен k ::=
::= IзАlIс,.А ::= 1 зЕlI с ,ЗБ. Считается необходимым иметь k ' 2.
Во втором случае k: определяется при КЗ на проти;опо-
ложном конце цепн с Отключением у этоrо места ее BЫ
ключателя.
Зона каскадноrо действия определяется из тех же co
А
G
11<'"
1
11( А !Kf 1/(6
п б)
Рис. 8.14. Определение чувствительности (а) и зоны каскадноrо дейст-
ВИJl (6) защиты по рис. 8.13
21*
323
отношений с заменой {р;ч на {к,д (рис. 14, б) и, например,
для защиты А равна {к,ДА Iс.зАfJк; в первом приближе
нии ток I K определяется при 1\3 у шин Б. Аналоrично MO
жет быть вычислена зона {к,дБ. В целом каскадно ликви
дируются 1\3 на длине {к,д === {к,ДА + {к,ДБ. Если {K,д {, ТО
В средней части линии появляется зона, при 1\3 в которой
ни одна из защит не срабатывает. Наличие ее недопусти-
мо; поэтому необходимо иметь {к,д<{. С учетом возможно-
[о Rп часто считают необхоДимым иметь {к,д <0,5/. Необхо
дим о отметить, что при k 2 условие {к,д<О,5/ практически
всеrда вЫПолняется.
Мертвая зона определяется ОНМ при включении ero
на полные напряжения и токи фаз. При 90D ной схеме
включения она может быть только при ЮЗ) (см. r л. 5).
Возможные случаи неправильноrо срабатывания защи
ты. Были выявлены два возможных случая неправильных
срабатываний защиты. При обрыве с односторонним 1\3
на землю на цепи 1 (рис. 8.15, а) защита, включенная на
полные токи и напряжения фаз, излишне срабатывает, OT
ключая неповрежденную цепь 11, так как мощность 1\3
направлена в ней от шин, а в поврежденной цепи ток равен
нулю. Для защиты, включаемой на составляющие нулевой
последовательности, соотношения получаются более слож
ными, но MorYT приводить к тем же последствиям. А. М. Ра-
ковичем, В. А. Андреевым и В. М. Ермоленко вносились
предложения по устранению этоrо орrаническоrо недостат-
ка. Так, например, А. М. Ракович предлаrал фиксировать
правильное срабатывание ОНМ в момент обрыва, до воз-
никновения 1\3; фиксация осуществляется ОТ с достаточно
малым 1 с,р, включаемым на ток 3/0 дифференциальной
цепи; при обрыве opraH срабатывает под воздействием по
являющейся нулевой последовательности в токе. При по
следующем одНостороннем 1\3 защита вне зависимости от
действия ОНМ отключает только поврежденную цепь.
Предложенные способы широкоrо распространения не по
лучили в свя!и с повышением качества монтажа и эксплу
атации линии, а также использованием защит только для
менее ответственных линий.
В сетях с напряжением UHOM 35 кВ неправильное cpa
батывание защиты, как было показано в 30-е [оды
СР3иУ ТЭП (см., например, [1]), может произойти при не-
которых видах k 1я,l) (рис. 8.15, б). Если ОДНо из мест по
вреждения распо ожено на фазе с Т А (например, А) в зо-
не каскадноrо деиствия защиты, а друrое соответственно
324
на фазе С линии, ОТХОДЯЩей от шин подстанции, то сна-
чала отключится выключатель поврежденной параллель-
нОЙ цепи; далее защита неправильно отключит выключа
телЬ неповрежденной цепи, так как сработают ОТ и ОНМ
фазЫ С.
Общая оценка защиты. С учетом перечисленных Heдo
статкОВ защиты и появления поперечных направленных
защит с косвенным сравнением величин (см. rл. 7), вклю-
чаеМЫх на состаВЛяющие и о и 10 и практически не имею-
щих неправильных срабатывнийй при обрывах с односто-
ронним 1\3 на землю, рассматриваемая защита с rодами
имеет все меньшее применение и используется в основном
только в менее ответственных сетях с UHOM 35 кВ.
/1,1)
KA
Аве
Аве
а.)
i)
l(I,I)
c
Рис. 8.15. с. учаи неправильноrо действия защиты по рис. 8.13
8.10. ОБЩАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ
ЗАЩИТ ДЛЯ ЛИНИй
Из изложенноrо следует, что дифференциальный прин-
цип применительно к заЩИТе линий постепенно находит и,
вероятно, будет находить все меньшую область использо-
вания.
Этот принцип целесообразно применять в основном для
защит от 1\3 [енераторов, трансформаторов (автотранс-
форматоров), шин станций и подстанций, крупных двиrа-
телей, [де друrие известные принципы выполнения защит
конкурировать с ним в ряде случаев не MorYT.
Вопросы для самопроверки
1. I\акие защиты называются дифференциальными то-
ковыми и токовыми направленными? Приведите примеры
выполнения защиты отдельных элементов.
325
2. Какие электрические величины MorYT сравниваться
в продольных дифференциальных токовых защитах и Ka
кие в поперечных?
3. Каковы причины возникновения тока небаланса в про
дольной дифференциальной защите с проводными KaHa
лами?
4. Какие применяются способы повышения чувствитель
ности и отстроенности продольной защиты с проводными
каналами?
5. В чем сущность способа заrрубления защиты при
внешних КЗ, oCHoBaHHoro на включении ОТ через проме
жуточные насыщающиеся трансформаторы тока (Т ALT)?
6. Объясните сущность способа маrнитноrо торможения
в ОТ.
7. Объясните способ выполнения устройства контроля
исправности вспомоrательных проводов продольных диф
ференциальных токовых защит с проводными каналами. '
8. Поясните принцип действия дифференциально фазной
токовой защиты с ВЧ блокировкой.
9. Каким приблизительно принимается допустимый
сдвиr по фазе сравниваемых токов (например, !1+k{2) при
внутренних КЗ и какие факторы влияют на значение уrла
блокировки ДФЗ?
10. Объясните принцип выполнения поперечны:х диффе
ренциальных токовых и токовых направленных защит.
rпавадевятая
ЗАЩИТА ЛИНИй ОТ ОДНОФАЗНЫХ
ЗАМЫКАНИй НА ЗЕМЛЮ
9.1. ТРЕБОВАНИЯ 1< ЗАЩИТЕ
Рассмотрение соотношений электрических величин при
K 1) (см. 1.6) показывает, что этот вид повреждений в
отличие от КЗ характеризуется следующими особенностя
ми: треуrольник междуфазных напряжений остается неиз
менным и поэтому работа потребителей непосредственно не
нарушается; токи, проходящие через место пробоя на зем
лю, при правильном выполнении режима заземления ней
тралей не превосходят 20 30 А, а для сетей с повышенны
ми требованиями к безопасности обслуживания 5 А; на
неповрежденных фазах даже в установившемся режиме
зt6
напряжения MorYT повышаться в Vз р з, а в перехоДНЫХ
режимах, например при перемежающеися дуrе, оказыва
ются еще б6льшими, что может приводить к возникновению
тяжелых K ;,1); возможны кратковременные, самоус' раня
ющиеся K I). Защита может выполняться селективнои (TO
ковая защита) или не елективной (максимальная защита
напряжения нулевой последовательности).
С учетом изложенноrо формируются требования. к то:
ковым защитам линий, реаrирующим на рассматриваемыи
специфический вид повреждений: 1) в большинстве случа
-ев допускается действие защиты на сиrнал; это облеrчает
и упрощает ее осуществление, а также дает возможность
в пределах разрешенноrо времени (до 2 ч) осуществить
более полное выявление поврежденноrо элемента, перевод
потребителя (если это возможно) на друr й источн к пита-
ния и, наконец, отключить поврежденныи элемент, 2) за
щита должна действовать на отключение без выдержки
времени в случаях, коrда это необходимо по требованиям
техники безопасности, например на линиях, питающих тор-
форазработки, передвижные строительные механизмы
и друrие аналоrичные установки; при этом сокращается
(1) (1,1)
вероятность перехода Кз в Кдв, сопровождающееся
большими токами КЗ, напряжениями прикосновения и ша
rовыми напряжениями, моrущими быть причиной несчаст
ных сл у чаев' 3 ) защиты должны удовлетворять требова
, (1)
ниям селективности при внешних К з ; при этом селектив
ность в случае действия на сиrнал понимается в смысле
выявления по сработавшим защитам участка или хотя бы
направления (например, на цепочке участков), в преде,пах
(1)
KOToporo произошло Ка ; 4) в целях упрощения допуска-
ется не устанавливать защиту на элементах, удаленных от
источников питания, а также в случаях, коrда возникнове-
ние K I) маловероятно или выполнение защиты затрудни-
тельно (например, на воздушных линиях); 5) защита дол
(\)
жна реаrировать также на К з через перемежающуюся
(1)
дуrу и кратковременные, самоликвидирующиеся Кз , если
возможно и целесообразно выявление их мест возникнове
ния; 6) желательно иметь непрерывность действия защит,
возвращенных персоналом в исходное положение, для воз-
u K (I)
можности проверки устоичивоrо з на данном направле-
нии, например после отключения персоналом одноrо из
элементов с предполаrаемым повреждением.
327
Удовлетворить одновременно одним устройством все пе
речисленные требования бывает трудно. Поэтому на прак
тике иноrда применяют устройства, удовлетворяющие им
не в полной мере, или используют совокупность устройств.
9.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
ДЛЯ ДЕйСТВИЯ ЗАЩИП;I "
ТОКИ нулевой последовательности промышлениой час
тоты. Возможность использования этих токов определяется
тем, что они в симметричной системе отсутствуют в рабо
чих режимах и появляются только при возникновении по
вреждений фаз на землю. Поэтому не требуется непосреk
ственная отстройка от lраб. Рассмотрение распределения
ТОков при K !) может производиться по заданным ЭДС
источников питания (см. 1.6) или методом наложения
.с использованием составляющих нулевой последовательно
сти аварийноrо режима (см. rл. 1).
Первый способ иллюстрируется для радиальной сети
с односторонним питанием (рис. 9.1). Защита предполаrа
ется включенной с питающей стороны участка АБ. Фазы
последнеrо имеют по отношению к земле емкости СОл. Вся
остальная сеть представлена эквивалентной линией АВ
с емкостью фаз по отношению к земле Со};. При металли
K (I) К
ческом з В точке 1 на фазе А линии АБ (рис. 9.1, а)
через место повреждения будет проходить (см. 1.6) ток
I ===3ffi(С Ол +СО};)UФ, определяемый емкостями непо
врежденных фаз В и С всей сети (емкости поврежденной
фазы в создании этоrо тока не участвуют, так как они за
шунтированы в месте повреждения, напряжение И фА ===0).
Т / Щ
ок ЗА возвращается в сеть через указанные емкости (по
казано пунктиром). В начале поврежденноrо участка reo
метрическая сумма токов трех фаз определяется только
емкостями Со}; неповрежденных участков сети, так как
такая же сумма, определяемая С Ол , равна нулю ( 1.6).
В результате ТОК в начале участка 31Ш ===3ffiС О };И Ф ; на
этот ток будет реаrировать защита. При K I) вне защи-
щаемой зоны в точке К2 (рис. 9.1, б) через начало защи
щаемоrо участка АБ с учетом тех же соображений проходит
з/ (1)
ток 30.11 ===3ffiС Ол И Ф , от KOToporo защита по условию се-
лективности должна отстраиваться. В начальные моменты
К (1) u
внешних з возникает переходныи затухающий режим,
328
А
I(f)
зА /(
"
А
В
[
5
Е"
а)
А
В
[
А
I СО 1:. ::r: ::r: ::r:
I i +
L J.......J
5
А
В
[
Еср
..,....
[й I I I
-:- I т о)
L.L ...,
1(2. В I
А!
81
[1
1 (t) [01:. I I I I
-:- ЗА -:- -:-..",. r
L.. .! t J
Рис. 9.1. Распределение токов при K l) И заданных эдс
u б 3 . (1)
В котором деиствующие значения росков lзо.1l MorYT в не-
сколько раз превосходить их установившиеся значения
з/ (1) О u
зО.1I. тстроика от них возможна, например, выполнени
ем защиты с выдержкой времени.
Применение метода наложения с использованием ава-
РИЙных составляющих нулевой последовательности для тех
же условий работы сети иллюстрируется рис. 9.2; ЭДС ис-
тОчника питания исключается. В месте возникновения K I)
ВКЛючается источник напряжения с ЭДС, равной по зна-
чению напряжению нулевой последовательности, которое
при металлическом повреждении равно смещению Нейтра-
329
ли системы И Ь) == Ш == ф (см. Э 1.6). В целях coxpa
нения для последнеrо условноrо положительноrо направ
ления по рис. 1.40 (от места повреждения или нейтрали си
стемы к земле) новый источник напряжения принимается
условно действующим от земли к точке К повреждения.
Распределение токов нулевой последовательности показано
''Пунктиром на рис. 9.2. Резуль
таты получаем те же, что и
при первом способе, но более
просто и наrлядНо. Например,
для учета Rn в месте пробоя
достаточно в схеме замеще
ния по рис. 9.2 включить ero
последовательно с источником
напряжения. Напряжения
ит и И(I) изменятся П р и
зН зо
эт ом по значению (уменьшат
ся) и фазе, однако распреде
ление токов 10 останется преж
ним.
Чувствительность токовых
защит, реаrирующих на уста-
новившиеся 1 1) , оценивается
kч==3ffiСо Иф/l с ,з или иноrда
коэффициентом полноты замы
кания на землю Ь (см. Э 1.6),
при котором защита может
срабатывать. Рассмотренные
выше условия ее действия при
внутренних и внешних K;l)
показывают, что в недостаточ
но разветвленной сети достичь необходимой чувствительно
сти бывает затруднительно или даже невозможно при Ha
личии Bcero двух линий с одинаковыми параметрами
(Co..==Cos ), токи 310 в начале участков при внутренних и
внешних K l) оказываются одинаковыми. Для исключе
ния этоrо недостатка защиты выполняются направленны-
ми. Для улучшения работы защиты иноrда создаются дo
полнительные активные слаrающие в токах поврежденных
участков с помощью заземления нейтрали системы через
резисторы с большим сопротивлением Rз. Их влияние на
улучшение работы защиты леrко выявить включением в
схеме замещения на рис. 9.2 дополнительной ветви с сопро-
ззg
А
.........,.
а)
а)
Рис. 9.2. Распределение токов
при K 1) с использованием ме.
тода наложения
тивлением 3Rз (коэффициент 3 учитывает что eMKocTII С
данЫ для одной фазы, а не для трех, а Rз вляется общим
для трех фаз). Это мероприятие оказывается полезным и
для снижения перенапряжений при K l), как это было от-
мечено еще в конце 20-х rодов Петерсеном (rермания)
автором дуrоrасящих реакторов. Особенно оно эффективно,
по литературным данным, при активном токе, близком к ем-
костному. Для создания активнойслаrающей тока в начале
30 x rодов СРЗиУ ТЭП предлаrалось использовать TpaHC
форматоры малой мощности с закорачиванием их вторич
ных обмоток. По данным ИЭД АН УССР, закорачиваи
вторичную обмотку TV, соединенную в разомкнутый тре-
уrольник (см. r л. 4), можно получать активные слаrающие
тока замыкания на землю до 2 А в сетях 6 кВ и 3А в сетях
10 кВ.
Как известно и как уже указывалось выше, широкое
применение в рассматриваемых сетях (сначала в [ерма-
нии, а последующем в ряде друrих стран) в отече
ственнои практике, особенно в послевоенные rоды, получи-
.1IИ дуrоrасящие реакторы (катушки Петерсена). Исполь
зуют понятие о резонансно заземленных нейтралях сетей,
поскольку реакторы должны иметь резонансную настрой-
ку, искусственно создавая добавочный индуктивный ток
1 lШ. В последние rоды специалистами ставится во-
прос о снижении значений емкостных токов lШ примерно
до 5 А против упоминавшихся выше 10 30 А, начиная
с которых было бы целесообразно осуществлять компен
сацию. Реактор включается в цепь заземления нейтрали
системы (РИС.:,9.3).
Получающееся распределение токов 10 при использова
нии Метода наложения приведено на рис. 9.3. Индуктив
ность реактора принята утроенной, равной 3L p , так же, как
и выш для сопротивления 3Rз. При точно резонансной
настроике [l/(3ffiL p ) ==ш(Со..+Со )] в начале поврежден-
Horo участка lШЛ (1) 3И ф [l/(3ffiL р ) шСо ]; так как
1/(3ffiL p ) >шСо , ток l зsл оказывается индуктивным от-
стающим от И Ф на 900. По неповрежденной же линии 'про
ходит емкостный ток 31 д , определяемый СО ее двух фаз
находящ хся под напряжением, но направленный к шина
питающеи электроустановки и поэтому также отстающий
от И Ф на 900.
В результате и токовые, и направленные защиты нуле
331
вой последовательности, реаrирующие на слаrающие про-
мышленной частоты ю, для сетей с резонансно заземлен-
ной нейтралью оказываются неэффективными. Были най-
дены и осуществлены друrие пути решения вопроса защи-
(1)
ты от Кз ,рассматриваемые ниже.
ТОКИ естественных высших rармоник установившеrося
режима. В фазах сети практически всеrда имеются слаrа-
ющие высших rармоник, обусловленные наличием намаrни-
чивающих токов всех силовых трансформаторов сети, не-
линейных наrрузок в виде печных, тяrовых и друrих
А
11
в
s
j
I
I
i С ЙL I
L J
Рис. 9.3. Распределение токов при K l) В компенсированной сети
подобных им потребителей. При возникновении к;l) рас-
пределение токов этих rармоник в сети оказывается при-
мерно таким Же, как емкостных токов замыкания на зем-
лю по рис. 9.1; при этом учитывается, что наличие дуrоrа-
сящих реакторов, настроенных на основную rармонику, на
это токораспределение оказывает не очень существенное
влияние и им часто можно пренебречь (см., например, [48]).
Использование естественных высших rармоник устано-
вившеrося режима впервые для целей релейной защиты
предложено и проработано ВНИИЭ (В. М. I(искачи и др.)
еще в начале 60-х rодов. В последующие rоды разработки
в этом направлении развивались, и в настоящее время су-
ществует MHoro вариантов их реализации [48, 57 и др.].
Выделяются они двумя способами: использованием токов
l зов ,r или путем сравнения их значений в поврежденной
332
и неповрежденной фазах; было установлено (ВНИИЭ,
В. М. Кискачи), что рассматриваемые токи в поврежден-
ной фазе MHoro больше токов в неповрежденных фазах.
Своеобразно второй вариант реализуется в новых защитах
К О)
от 3 в статорных обмотках reHepaTopOB (см. rл. 12).
В кабельных сетях обычно используется первый вариант.
Он приrоден для сетей с иЗОлированной нейтралью, но осо-
бенно эффективен для сетей с резонансно заземленной
нейтралью.
ТОКИ переходных процессов. Рассматриваются токи,
возникающие в первые моменты после возникновения К (1)
в
В сети с дуrоrасящим реактором. Переходный процесс П р и
К (I)
появлении з имеет две основные стадии (см., например,
[58]), показанные на рис. 9.4, а (распределенные емкости
условно даны сосредоточенными). Первая стадия харак-
теризуется появлением разрядных волн, распространяю-
, ,
LСразр
K
./1
Lc разр
.............
А
8
С
t
"""1
'с раэр
..............
Сал J J J
А
В
С
а)
СОЕ
***
Uф,iс Момент п!,оfоя
- о)
Рис. 9.4. Распределение переходных токов замыкания на землю (а) и
диаrрамма их изменений во времени (6)
333
щихся в сети в обе стороны от места пробоя. Они опреде
ляются в основном MrHoBeHHbIM значением напряже
ния сети и и волновым сопротивлением ZB: ic раэр==U/Z в .
Максимальные значения ic раэр появляются при напряже-
ниях, близких к амплитудным (рис. 9.4, б), поскольку они оп-
ределяются в основном емкостями Со л и Со}; (рис. 9.4, а)
(переходный ток i L дуr.рrасящеrо реактора нарастает
относительно медленно, имеет меньшие значения и ero
можно не учитывать). Токи iсраэр имеют высокие «частоты»
(достиrают мноrих килоrерц), проходят, минуя источники
питания, и быстро затухают. Развитие переходноrо про-
цесса, ero вторая стадия, характеризуется дополнительным
зарядом емкостей неповрежденных фаз через обмотки ис
точника питания. Волны заряда имеют более низкие «ча
стоты» (начиная с нескольких сотен rерц) и затухают Mek
, В K (l) ., В
леннее. точке э _ 'с раэр И 'с эар складываются. первые
результаты исследования вопросов использования переход
ных емкостных токов для защит от K l) были опубликова
ны Нейrебауером (rермания) в середине 30 x rодов.
В СССР возможности применения для разных защит пе
реходных токов начали исследоваться в основном в ЭНИН
во второй половине 40-х rодов (И. Н. Поповым и др.). Pe
зультаты работ ЭНИН обобщены в [59}. В последующие
rоды в эти разработки включилИсь и друrие орrанизации:
ИЭИ (О. В. Лебедев, В. А. Шуин), ВНИИЭ (В. М. Киска
чи) и др. Исследования показывали, что лучшие результа
ты в общем случае получаются при использовании качест
венных признаков процесса (например, направления pac
пространения волн), а не количественных (амплитуд
токов). В связи с этим защиты часто выполняются реаrи
рующими на знак мrновенной мощности; при этом преk
почтение принципиально отдается использованию разряд-
ной волны, хотя практически это трудно осуществимо. Не-
плохие результаты получены при относительном сравнении
амплитуд токов присоединений (работы ИЭИ) с учетом
Toro, что абсолютный их уровень может колебаться в широ-
ких пределах в зависимости, например, от места замыка
ния.
Наложенные токи. Для действия защит от K l) В сетях
обычно предпочитают использование наложенноrо перемен-
Horo тока с частотами, отличными от рабочей. Так, напри-
мер, разработки ИЭД АН УССР (И. М. Сирота и др.) ба-
зируются на токе 100 [ц. В друrой разработке (А. В. rри-
334
ropbeB, Маrнитоrорский индустриальный институт)
предлаrалось при менять ток частотой в несколько сотен
rерц, вводимый в сеть через измерительный TV на питаю-
щей подстанции. Предел повышения частоты определяется
увеличивающейся при этом долей наложенноrо тока, про-
ходящеrо при K l) через Rп мимо места K 1) и защиты
через емкость неповрежденной части сети. Применение
К (1) u
наложенных токов для защит от э линии на практике
распространения не получило.
Напряжения нулевой последовательности. Они в уста-
К (1) ,
новившемся режиме при э практически одинаковы во
всей сети данноrо напряжения, так как падения напряже-
ния от токОв 10 в сопротивлениях Zo линий ничтожно малы
по сравнению с падениями напряжений в емкостных сопро-
- тивлениях фаз сети на землю. Поэтому использование и gl)
для выявления участка или направления с K l) невозмож
но, и на их появлении строятся только устройства контро-
ля изоляции, устанавливаемые на шинах подстанций.
9.3. ФИЛЬТРЫ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ НУЛЕВОЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Фильтры токов. В rл. 4 рассматривались трехтрансфор
маторные фильтры и указывалось на наличие и одно-
трансформаторных фильтров. Для защит от Ki 1 ) там, rде
это возможно, применяются однотрансформаторные филь-
тры Т А нулевой последовательности (ТА Ферранти) как
более простые, имеющие малые токи небаланса и обеспе-
чивающие более эффективное выделение обычно весьма
небольших токов 1 l) из больших первичных токов фаз.
Однотрансформаторные фильтры в сетях устанавливают
ся на кабельных линиях или воздушных линиях с кабель-
ными выводами. Типичное выполнение кабельноrо Т А ну-
левой последовательности приведено на рис. 9.5. При K 1)
токи повреждения MorYT возвращаться в сеть как через
землю, так и по проводящей оболочке и броне кабелей. Для
предотвращения возможности срабатывания под воздейст-
вием этих токов защит неповрежденных линий и пониже-
ния чувствительности защит поврежденных кабели на уча
стке от Т А до «воронок» и «воронки» изолируются от
земли, а защитное заземление последних выполняется про-
IЮДом, пропущенным через отверстие маrнитопровода ТА
в направлении кабеля. При этом токи в заземляющем про
335
А
8
с
Рис. 9.5. К:абельный трансформатор
тока нулевой последовательности с
присоединеииым к нему opraHoM тока
На сuzнал
воде и оболочке с броней paB
ны и направлены в разные CTO
роны, поэтому поток В сталь
ном сердечнике они не созда-
ют.
Качество схем фильтр то
ковых измерительных орrаНОБ
прежде всеrохарактеризуется
их первичным током срабаты
вания Iс,з, т. е. минимальным
током 3/0, необходимым для
их срабатывания. Трудность
получения часто необходимых
малых I с . з определяется малой мощностью, OTдaBa
емой этими фильтрами, как имеющими первичную обмот-
ку в виде кусков фаз кабеля (одновитковые ТА) с прохо
дящими ПО ним небольшими 3/0 (работа Т А в начальной
части кривой Bтax==f(H) за счет малых МДС, пропорцио
нальных 3/ 0 w); качество их снижается дополнительно при
разъемных маrнитопроводах, используемых в случаях yc
тановки Т А на смонтированной установке. Для улучшения
работы схем фильтр ИО применяются ИО с малыми
мощностями, потребляемыми при срабатывании. В настоя
щее время это леrко достиrается в схемах с ИО, выполнен-
ными на интеrральной микроэлектронной базе. Малые токи
небаланса обусловлены отсутствием основной слаrающей
I нб намаrничивающих токов т А в трехтрансформатор
ных фильтрах. Необходимо отметить, что однотрансформа
торный фильтр нельзя получить путем навивки вторичной
обмотки на кабель. Для получения фильтров без стальноrо
сердечника, насаживаемоrо на кабель, MorYT быть исполь-
зованы специальные фильтры, разработанные ОЗАП Мос-
энерrо (Ю. М. Силаев) и показанные на рис. 9.6 (см., Ha
пример, [10]). Они MorYT отдавать еще меньшие мощности.
Трехтрансформаторные фильтры иноrда используются
для защит, реаrирующих на начальные значения переход-
ных емкостных токов, HaMHoro превышающих их устано-
вившиеся значения (примерно пропорциональные частотам
их составляющих). На практике в распределительных БОЗ
душных сетях часто применяются весьма простые Tpex
изолироВано по
отНОШеf.ll./Ю к
80polfKe KaOe/1f1
336
!А
Рис. 9.6. Трансформатор тока нулевой последовательиости в виде МНО-
rовитковой спирали:
1 немаrнитный сердечник; 2 обмотка; 8 зажимы вторичной обмотки
трансформаторные фильтры с использованием маrнитных
зондов маrнитных Т А, разработанных В. Е. Казанским
и др. [44]. Они имеют, однако, весьма малую отдаваемую
мощность (см. rл. 4).
Фильтры напряжений. В качестве фильтров напряжения
нулевой последовательности часто применяются TV (см.
rл. 4). Однако они, в отличие от Т А, способны без сущест
венных искажений трансформировать составляющие пере
ходноrо процесса с частотами только до нескольких кило
rерц. При б6льших частотах начинают сказываться меж
витковые емкости первичных обмоток TV; приходится
также учитывать возникающие в них переходные процессы.
Поэтому для направленных защит, используюЩих началь
ные значения переходных токов, вопрос о вторичных напря
жениях требует особоrо рассмотрения. Для упрощенных
защит с маrнитными зондами иноrда напряжения берутся,
например, с антенн.
Мноrие вопросы выполнения и работы фильтров нуЛе
вой последовательности тока и напряжения обобщены
в [60].
22 855
337
К (1)
9.4. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ ОТ
Токовые защиты нулевой последовательности, реаrиру-
ющие на первые rармоники тока / ;1) или сумму всех rap-
моник. Структурная схема простейшеrо выполнения защиты
с кабельным т А нулевой последовательности приведена на
С 9 7 а П р е д полаrается действие ее на сиrнал. Ток / С,3
ри. ., . , (1)
должен отстраиваться от eMKocTHoro тока 3/0СЛ при внеш
них замыканиях, суммирующеrося с /нб,п фильтра, которыи
Ht1. tЦ!Шал
о)
а)
Рис. 9.7. Стру,ктурные совмещенные схемы токовой защиты с кабельны-
ми т А нулевой последовательности
при кабельном выполнении оследнеrо весьма мал. Пр
вн у т р еннем к;l) ток в защите для сети с изолированнои
(1)
нейтралью определяется током 3/ OC всех друrих присо-
единений. Защита может использоваться только в разветв-
ленной радиальной сети, коrда COImin Сол данноrо присо-
единения; она может нечетко работать при перемежающих-
ся замыканиях, не контролирует u самоликвидирующихся
повреждений, неприrодна для сетеи с дуrоrасящими реак-
торами. С учетом изложенноrо области ее применения в на-
стоящее В р емя весьма оrраничены. При ее применении не-
(1,1)
обходимо учитывать, что при Кдв В фильтре возможно
прохождение большоrо тока 3/ k1), при котором современ-
ные ИО MoryT быть повреждены; для их защиты использу-
ются обычно разрядники на входе. u
При осуществлении защиты кабельной линии, имuеющеи,
например, два кабеля, вторичные обмотки ТА нулевои после-
довательности MorYT соединяться параллельно (рис.9.7,б)
или последовательно (рис, 9.7, в). Соображения по срав-
нительной оценке этих схем даны в работе СРЗиУ ТЭП
[10].
338
Промышленностью по разработкам ВНИИЭ серийно
выпускаются усовершенствованные варианты рассмотрен-
ной защиты на микроэлектронной элементной базе [48].
Направленные защиты нулевой последовательности,
предназначенные для реаrирования на основные rармоники
токов и напряжений. Структурная схема простейшеrо вы-
полнения защиты применительно к условиям, oroBopeHHbIM
для токовой защиты по рис. 9.7, приведена на рис. 9.8. На-
пряжение зи а 1 ) к измерительному opraHY подводится от
вторичной обмотки TV, соединенной в разомкнутый тре-
уrольнИк; TV включен на сборные шины. Отстройка от то-
ка 3/0С,л обеспечивается направленностью действия защи-
ты. Для отстройки от воздействующих на ИО /нб и U нб
фильтров ИО должен иметь реrулируемую чувствитель-
ность, так как отдельных opraHoB тока в защите нет. С уче-
том этоrо применяются не opraHbI направления мощности,
как в защитах от I(З, а орсаны мощности. В настоящее
время промышленностью по разработкам ВНИИЭ на мик-
роэлектронной элементной базе выпускается улучшенный
вариант защиты. Для подобных же защит, использовав-
шихся в 30 40-e rоды на reHepaTopax, в Ленэнерrо
(П. П. Виноrрадовым) и СРЗиУ ТЭП была предложена
и реализована схема с косвенной компенсацией тока /нб,
осуществляемой с помощью дополнительноrо тормозноrо
тока, подаваемоrо в токовые цепи ИО от TV нулевой по-
следовательности [1). Рассматривался также вопрос и о
компенсации собственных емкостных токов для токовых за-
(1)
щит при внешних К з с использованием тока создаваемо-
(1) ,
ro и О . Однако последнее предложение было оценено как
несвоевременное. Схема практически неприrодна для сетей
с дуrоrасящими реакторами. Использование при их нали-
чии остаточных активных слаrающих токов неэффективно.
В настоящее время защита используется иноrда при зазем-
лении нейтрали через резистор большоrо сопротивления
с реле мощности активно-реактивноrо типа (например, по
разработкам ИЭД АН УССР).
Токовые и токовые направленные защиты нулевой по-
Следовательности, реаrирующие на состаВляющие переход-
Horo процесса, возникающие в начальный момент K l) .
УСТройства этоrо вида, как указывалось выше, MorYT реа-
rировать на знак мrновенной мощности, сравнивать знаки
ИМПУЛьсов тока и напряжения, амплитуды первых импуль-
сов тока на всех отходящих присоединениях.
22*
339
В настоящее время для воздушных сетей напряжением
20 35 кВ промышленностью выпускается по р зработке
ЭНИН импульсная направленная защита. Ее деиствие ос:
новано на контроле начальноrо знака мощности нулевои
последовательности. ОНа включается на трех рансформа
торный фильтр токов и на напряжение нулевои последова-
тельности через фильтры, подавляющие основные rармони-
ки Защита может работать как без выдержки времени, Ta
и 'с выдержкой времени, например на сиrнал. В опытнои
. эксплуатации находится TaK
же защита ЭНИН, разрабо-
танная для линий сверхвысо-
'ких напряжений. Ее отличи-
тельной особенностью явля
ется устройство, u предназна
ченное для отстроики от воз
действия волн, возникающих
при разряде молнии. Необхо-
димо отметить, что в послед-
ние rоды ИЭИ (В. А. Шуиным
И др.) для направленных за-
щит, реаrирующих на переход-
ные процессы, было предложе
но использовать не напряже-
ние ио в переходном процессе,
а производную от этоrо напря-
u вторами анализ указывает на
жения duo/dt. Проведенныи а ля ос у ществления направ
эффективность предложения Д
леиных защит рассматриваемоrо ви;: ы токов выполня-
Уст р ойства, сравнивающие амп б уд иэи ' (О в Ле-
ные по разра откам . .
ются как централизован ВНИИЭ дЛЯ осуществления
бедев и В. А. Шуин) И частичНо
к(1) с действием на сиrнал. Промышленностью
: 1ТноО:ып3ускается вариант такой защиты по разработке
BHи 1MO подчеркнуть, ч :c =: ec; : :
выполнения защит, реаrи ф рующ как кратковременные
переходных процессов, ИКСИРУЮ ду Тrовые пе р емежающиеся
ви д и ру ющиеся так и
самолик 'о K(l) Поэтому принципи-
замыка;:;, я лт:; УБС; ::И;:и ер а ьными, чем друrие
ально И не д остатки малая чувствительность при
исполнения. х б u ожет быть
постепенном снижении изоляции, коrда про ои м
при малых ик.
340
l'
-=-
Рис. 9.8. Структурная совме-
щенная схема защиты мощно-
сти иулевой последовательности
Токовые защиты, реаrирующие на установившиеся зна
цения высших rармоник. По разработкам ВНИИЭ
(В. М. Кискачи др.) промышленностью выпускается или
rотоВИТСЯ к выпуску значительное число исполнений таких
защит, ПОЛУЧИВШИх широкое применение [48]. В настоящее
вреМя они строятся на современной микроэлектронной эле-
ментной базе и предназначены для включения на Т А нуле-
вой последовательности. В [48] отмечается ряд мероприя-
тий, направленных на повышение техническоrо совершен-
ства в разных вариантах таких защит. К ним, в частности,
относятся следующие: фильтрация воздействующих вели-
чин с целью ОТСТРОЙIШ от слаrающих рабочей частоты, мо-
rущих неблаrоприятно влиять на эффективность функцио
нирования; обеспечение работы при перемежающихся
замыканиях; подпитка цепей тока от устройства, модели-
рующеrо с запасом MrHoBeHHoe значение тока защищаемоrо
присоединения соrласно выражению i л==3Солduо/dt и
компенсирующеrо бросок eMKocTHoro тока присоединения;
устройства для защиты от больших токов I K при K1 1 B 1 ) И не-
которые друrие.
Устройства наиболее эффективны в кабельных сетях
с дуrоrасящими реакторами, но MorYT использоваться и в
сетях с изолированными нейтралями. Они ВЫПОлняются как
индивидуальными для каждоrо присоединения (с измере-
нием абсолютноrо значения), так и централизованными
(с измерением относительноrо значения). Каждый вариант
имеет свои достоинства и недостатки. Существенным до-
Стоинством BToporo варианта является возможность полу
чения более чувствительной защиты. Некоторым HeДOCTaT
ком рассматриваемых защит является неприспособленность
ДЛЯ фиксации кратковременных самоустраняющихся по-
вреждений (если такая требуется).
Особым является вариант выполнения защиты, в кото-
ром сравниваются значения rармоник в поврежденной и
неповрежденной фазах и который не требует фильтров ну-
левой последовательности. Как уже отмечалось Выше, в ра-
ботах ВНИИЭ была показана Возможная эффективность
таких защит [57, 48]. В настоящее время рассматриваемое
ВЫПолнение начало пока получать практическую реализа-
цию преимущественно при осуществлении защит от Ki 1 )
статорных обмоток reHepaTopoB (см. r л. 12).
Общая оценка защит линий от К l) . Как следует из из-
ложенноrо, разносторонние работы, ПроВодящиеся в стране
341
K (I)
по исследованию и осуществлению защит от з, дают
основание полаrать, что такие защиты MorY' быть u осущ:
ствлены при любых режимах заземления неитралеи сетеи.
Однако характер заземления может существенно сказы
ваться на принимаемых решениях. Поэтому назрел вопрос
о критической оценке существующих режимов заземления,
которые требуют уточнения с учетом зарубежноrо и оте-
чественноrо опыта.
Вопросы для самопроверки
к I) по сравнению с К3
защитам линий, реаrирую
1. Поясните особенности
и сформулируйте требования к
щим на этот вид повреждения.
2. Какие электрические величины используются для вы-
(1)
полнения защиты от Кз ? (1)
3. Почему для выполнения защиты от Кз преимущест-,
венно используются однотрансформаторные фильтры тока
нулевой последовательности, а не трехтрансформ:торные?,
4. Какие принципы выполнения защит линии от K
используются в отечественной практике?
rлава десятая
ВЫБОР ПРИНЦИПОВ ЗАЩИТ ЛИНИЙ
10.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ
При выполнении защит линий разных номинальных H -
пряжений учитывается ряд требований и соображении,
а также разрешается MHoro научно-технических и практи-
ческих вопросов. Осуществление защит в отечественных
условиях облеrчается рядом обстоятельств. Это, во-пер-
вых, наличие ПУЭ, в которых приведены как общие тре-
бования, так и достаточно конкретные указания по осуще
ствлению защит линий до 500 кВ включительно. O-BTOP :.
выпускались РУ по защитам разных исполнении, ряд р -
делов которых не устарел и содержит конкретные указания
по выбору параметров и оценке чувствительности защит.
Мноrие вопросы изложены в предыдущих rлавах, а также
в ряде книr, в которых дано более rлубокое рассмотрение
как отдельных защит, так и их комплексов. Необходимо,
342
наконец, отметить, что отечественная Промышленность BЫ
пускает устройства, с ИСПОльзованием которых представ-
ляется возможным осуществлять защиты любых элементов
электрических систем на все напряжения. Поэтому ниже
коротко рассмотрены ЛИшь некОторые общие вопросы.
10.2. ЗАЩИТЫ ЛИНИй 6 10 кВ
По линиям 6 10 кВ может осуществляться питание ro-
родских, проМышленных и сельскохозяйственных потреби-
телей. Они бывают кабельные (преимущественно в Про-
мышленных и rородских сетях) и воздушные (преимуще-
ственно в сельскохозяйственных сетях) и образуют сети
различной конфиrурации, понижаЮщие трансформаторы
которых часто имеют небольшую МОЩность и защищаются
от К3 предохранителями. В нормальных режимах линии
обычно работают как радиальные с односторонним пита-
нием; поэтому для защиты от К3, как правило, оказыва-
ется достаточной токовая релейная защита (см. rл. 5). Для
обеспечения бесперебойноrо питания потребителей преду-
сматривается ряд мероприятий. К ним в первую очередь
относятся следующие: осуществление резервноrо питания
по друrой линии, питаемой от той же подстанции или дру_
roro синхронно работающеrо Источника, с поМощью АВР
или специальноrо ceTeBoro резервирования, часто ИСПОль-
зуемоrо в существующих сеЛьскохозяйственных сетях; при-
менение АПВ поврежденной линии, которое эффективно
в ВОЗДушных сетях и малоэффективно в кабельных; вы-
Полнение защит с возможно малыми временами срабаты-
вания или без выдержки времени, последнее считается обя-
зательным на нереактивированных линиях при U 0,5+
О,6и ном на шинах подстанции при питании по линиям син-
ХРОнных двиrателей и друrих потребителей, не допус-
Кающих затяжки в ликвидации К3; в связи с этим допус-
кается неселективная работа защиты линии в сочетании
с АВР и АПВ, исправляющими по возможности допущен-
ные ИЗЛИШНИе срабатывания.
На линиях обычно иСпользуется единственная защита,
оторая должна осуществлять и дальнее резервирование.
некоторых случаях, например на ответственных линиях
малой длины, предусматриваются в качестве основных про-
ольные дифференциальные токовые защиты (см. rл. 8).
оrДа ТОКовые защиты устанавливаются в качестве резерв-
343
ных. Иноrда применяются токовые защиты с блокировкой
по вспомоrательным проводам (rл. 7).
Сети 6 10 кВ имеют нейтрали изолированные или за-
земленные через дуrоrасящие реакторы. Поэтому защиты
от К3 должны учитывать только мноrофазн поuврежде-
ния ЮЗ) Ю 2 ), К(1,!) И Ki ']). 3ащиты от К з деиствуют,
как прави'ло на сиrнал;', а на отключение только коrда
это необход мо прежде Bcero по условиям техники без-
опасности (см. r л. 9). 3ащиты ой) К3 выполняются двух-
фазными (для отключения при Кдв по возможно:ти одно-
[о места повреждения), при реле KocBeHHoro деиствия
часто односистемными (с одним измерительным opraHOM).
Целесообразно (в rородских, сельскохозuяйственных сетях)
использование защит с реле прямоrо деиствия или на о опе-
ративном переменном токе (см. rл. 4). Оперативныи по-
стоянный ток применяется на объектах, имеющих KKYMY-
ляторные батареи, установленные для друrих целеи. u
Часто применяются реле тока с комбинированнои ха-
рактеристикой t==f(!K) при значительных /к выдержки
времени нет (отсечка), при малых /к .характеристика orpa-
ниченно зависимая или близкая к неи зависимая, облеrча
ющая соrласование с характеристи ами предохранителеи
защит трансформаторов потребителеи.
Конкретные указания по выбору параметров защит, со:
rласование их характеристик для распределительных сетеи
даны в [61].
10.3. ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ 20 и 35 кВ
Сети 20 и 35 кВ работают с теми же режимами зазем-
ления нейтралей, что и сети 6 10 кВ. Поэтому защиты ли-
ний 20 и 35 кВ должны реа ировать на аналоrичные виды
повреждений. 3ащиты от К;) работают на сиrнал. 3ащи-
ты от К3 выполняются двухфазными.
Для одиночных линий с односторонним питанием стре-
мятся применять более простые токовые ступенчатые за-
щиты. Допускается при наличии у линии нескольких по-
следовательных участков для обеспечения быстроrо отклю-
чения тяжелых повреждений (u 0,6UHOM на шинах
питающих подстанций) выполнять первые ступени защит
неселективными, испраВJIЯЯ их излишние срабатrв ия
устройствами поочередноrо АПВ (см., например, [, ]).
Сети 20 и 35 кВ часто имеют кольцевую конфиrурацию,
344
параллельные цепи, в них возможно наличие двух источ-
ников питания. В таких сетях применение только токовых
ступенчатых направленных защит часто невозможно или
неэффективно. В этих случаях ИСПОльзуются дистанцион-
ные, обычно односистемные, защиты с ИО полноrо сопро-
тивления. Для ОДИНОчных цепей используются единствен-
ные защиты, осущеСтвляющие и дальнее резервирование.
Дополнительно на параллельных цепях предусматриваются
поперечные дифференциальные токовые направленные за-
щиты. При направленных защитах ДОПОЛНительно устанав-
ливаются токовые ненаправленные отсечки от мноrофазных
К3. Иноrда для первых двух ступеней вместо opraHoB со-
противления применяются комбинированные отсечки по
току и напряжению (см. rл. 5). Однако при современных
элементных базах такое решение представляется недоста-
точно обоснованным.
1 0.4. ЗАЩИТА ЛИНИЙ 11 0 220 кВ
Сети, как правило, работают с rлухозаземленными ней-
тралями. Поэтому защиты ВЫПОлняются как от мноrофаз-
IIЫХ (за исключением К ] !) ), так и от однофазных К3.
Сети часто имеют сложную конфиrурацию, Несколько ис-
точников питания. Поэтому для защиты от мноrофазных
1<3 (включая К(1,!») часто Применяются дистанционные
ступенчатые защиты с разными характеристиками Zp==
===f(q>p) (см. rл. 6) opraHoB сопротивления, снабжаемые
блокировками от качаний и нарушений ВТОРИЧНЫХ цепеи
TV. ОТ 1((1) в СССР обычно применяются не дистанционные
защиты, а токовые мноrОступенчатые направленные защи
ты нулевой последовательности (см. rл. 5).
Необходимо подчеркнуть, что для линий рассматривае-
мых и более высоких напряжений, как правило, осуществ-
ляется сочетание дальнеrо и ближнеrо ре ервирования.
БЛижнее резервирование СВОдится к тому, что на каждой
линии устанавливается два комплекта защиты, причем вто-
рой для рассматриваемоrо вЫполнения защит (дистанцион-
ных и токовых нулевой последовательности) может иметь
УПрощенное вЫполнение тех же защит с меньшим числом
СТупеней, например, с первой и второй. На практике часто
ИСПОльзуется еще более простое осуществление рассмот-
pe Horo резервирования (см., например, [70]). Единствен-
ныи комплект, включающий дистанционную защиту и то-
КОвую направленную защиту Нулевой последовательности,
345
разделяется по цепям воздействующих величин и по цепям
оперативноrо тока на две части. В одну из них входят 1
и 11 ступени дистанционной и IV ступень токовой направ
ленной защит, а во вторую соответственно III ступень
дистанционной и 1, II и III ступени токовой направленной
защит. Во всех случаях здесь и далее дополнительно YCTa
навливаются токовые нецапр.авленные отсечки от мноrофаз
ных КЗ. На подстанциях сетей, особенно с воздушными
или малообъемными масляными выключателями, не име
ющими встроенных во втулки Т А, предусматриваются
УРОВ (см. rл. 15).
В последние rоды выявилась тенденция к применению
и для ликвидации КО) дистанционных защит, как практи
куется за рубежом. Эта тенденция обусловлена появлени
ем более удачных исполнений opraHoB сопротивления, пред
назначенных для указанных целей (см. rл. 6). Пока на
практике такие исполнения не используются.
В случаях, коrда по условиям обеспечения устойчивости
системы и ответственных потребителей требуется действие
защиты на всей длине защищаемоrо участка без выдерж-
ки времени [на шинах станций и узловых подстанций
И ? 0,6+0,7Ином], возможны два решения вопроса: дo
полнение ступенчатых защит устройствами ВЧ блокировки
или передачи отключающих сиrналов и использование в
качестве основной отдельной продольной защиты с абсо
лютной селективностью. Предпочтение отдается второму
варианту, обеспечивающему независимость в эксплуатации
и более совершенное ближнее резервирование. В настоя
щее время в качестве основных применяются направленные
защиты с ВЧ блокировкой (см. rл. 7) вместо ранее исполь
зовавшихся дифференциально фазных заЩIIТ с ВЧ блоки
ровкой (см. rл. 8). Продольные дифференциальные защиты
со вспомоrательными проводами используются редко, на
очень коротких участках.
При наличии на линии параллельных цепей дополнн
тельно устанавливаются поперечные направленные защиты
с косвенным сравнением знаков мощности (см. rл. 7). Bcer
да в качестве дополнительных предусматриваются токовые
иенаправленные отсечки.
На тупиковых линиях J[ноrда у дается использовать и бо
лее простые токовые ступенчатые защиты.
346
10.5. ЗАЩИТА ЛИНИЙ СВЕРХВЫСОКИх НАПРЯЖЕНИЙ
Системы сверхвысоких напряжений, как и при и ном ==
:=== 110+220 кВ, работают с rлухозаземленными нейтраля-
ми. Поэтому их защиты должны работать при аналоrичных
видах К3 и иметь схожие по принципам действия выпол
нения. Однако требования, предъявляемые к выполнению
защит, ЯВЛЯются значительно более жесткими и имеют не-
которые специфические особенности, коротко отмеченные
ниже.
Системы с рассматриваемыми линиями работают обыч-
но с малыми запасами по устойчивости. Поэтому в каче-
стве основных на линиях всеrда предусматриваются наи-
более быстродействующие Продольные защиты направ-
ленные с ВЧ блокировкой (см. rл. 6), собственное время
срабатывания которых не превосходит 0,02 с. К резервным
защитам со ступенчатыми характеристиками выдержки
времени, обеспечивающим ближнее и дальнее резервирова-
ние, также предъявляется требование отключения 1\3 на
защищаемом участке без выдержки времени. Для этоrо
они снабжаются устройствами, осуществляющими переда-
чу отключающих и разрешающих ВЧ сиrналов. Большие pa
боты по созданию Систем телеотключения были проведены
во ВНИИЭ (В. С. Скитальцевым и др.). Они привели к вы-
пуску промышленностью аппаратуры телеотключения вна-
чале типа ВЧТО, а в дальнейшем более совершенных си-
стем (АНКА АВПА), используемых на практике. На ли-
ниях сверхвысоких напряжений всеrда предусматриваются
устройства ОАПВ, обеспечивающие при К<1) отключение
на участке только одной поврежденной фазы, ее автома-
тическое повторное включение и отключение всех трех фаз
при неуспешности последнеrо. Поэтому к защите линий
Предъявляется требование обеспечения действия в случае
ВОзникновения К3 в цикле ОАПВ на оставшихся в работе
ДВУх фазах. Существующие направленные защиты с ВЧ
локировкой для этой цели оказываются неприrодными (см.
л. 7). Значительно более четко ФУнкционирует ПрОДОЛЬНая
дИфференциально фазная заЩита с ВЧ блокировкой (см
л. .8). Поэтому предусматривается в цикле ОАПВ времен:
ыи перевод направленной защиты в упрощенную диффе-
ренциально-фазную с постоянной циркуляцией блокирую-
щеrо сиrнала. Для тех же целей используются и избира
теЛЬные opraHbI УСтрОйств ОАПВ.
При КЗ и разноrо рода переключениях в рассматривае
347
мых линиях возникают интенсивные переходные электро-
маrнитные процессы, сопровождающиеся не только аперио
дическими слаrающими, но и свободными знакопе еменны
:МИ затухающими слаrающими с частотами, большими
основной, но иноrда и достаточно близкими к ней. 3а вре-
Мя действия быстродействующих защит все указанные сла-
rающие не успевают достаточно сильно затухнуть и MorYT
вызвать излишние срабатывания при внешних К:3 или за-
медление при внутренних К:3. Предлаrались разные Mepo
приятия для устранения указанных неблаrоприятных влия-
ний. В настоящее время наиболее целесообразным счита-
ется применение фильтрации воздействующих на измери-
тельную часть защиты величин. Часто для осуществления
этоrо используются преобразования Фурье для заданноrо
времени (обычно один период 0,02 с) в виде текущих
спектров (см. rл. 1). Однако, как показано в [34], они, как
и преобразования К:алмана, в ряде случаев не MorYT обе-
спечить необходимой полноты фильтрации. Принципиально
более полное решение дают методы, применяющие прин-
ципы получения наименьших квадратичных поrрешностей
[35]. Однако в общем случае они реализуются достаточно
сложно.
Приходится также учитывать емкостную проводимость
линий, наличие которой может привести к неправильному
функционированию защит. Для исключения этоrо, напри-
мер для некоторых продольных защит, применяют искусст-
венное выравнивание токов в комплектах противоположных
сторон с помощью компенсации eMKocTHoro тока участка.
Эта компенсация может выполняться с приближенным уче-
том переходных электромаrнитных процессов. Общие ус-
ловия выполнения защит линий сверхвысоких и ультравы-
соких напряжений рассмотрены в работе В. М. Ермоленко,
В. И. К:озлова и В. Н. К:расевой [62], rде приведены также
материалы друrих авторов по конкретным защитам.
10.6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЛЕОТКЛЮЧЕНИй
в технике релейноЙ защиты под телеотключением обыч-
но понимается отключение выключателей на одном конце
участка, которое осуществляется при получении отключа-
ющеrо сиrнала от сработавшей защиты на друrом ero кон-
це или друrих концах (например, на линии с ответвления-
ми). Отключающие сиrналы MorYT передаваться по про-
водным, ВЧ и радиоканалам (см. rл. 1) и производить
348
контролируемые или неконтролируемые Отключения. Пер-
вые отличаются от вторых тем, что требуемое отключение
происходит только при срабатывании на электроустанов-
ке, принимающей сиrнал какоrо-либо opraHa, фиксирую-
щеrо возникновение в защищаемой системе повреждения.
Обычно, если это возможно, используются схемы с кон-
тролируемым отключением как обеспечивающие лучшую
отстроенность от разнщ'о рода помех.
Большие работы по созданию систем телеотключения
были, как указано выше, проведены во ВНИИЭ.
ИСПОЛЬЗ0вапие отключающих сиrна'лов для защит ли
пий. Ниже оно рассматривается применительно к направ-
ленным защитам со ступенчатыми характеристиками вы-
Б
Рис. 10.1. Использование отключающих сиrналов:
а неконтролируемых; б контролируемых
держки времени, например дистанционным (рис. 10.1).
Первая ступень защиты данноrо конца А заЩищаемоrо уча-
стка при срабатывании действует на отклЮчение cBoero
выкЛючателя и посылает сиrнал на отключение выключа-
теля друrоrо конца участка Б. При неконтролируемом сиr-
нале последний непосредственно используется для отклю-
чения (рис. 10.1, а); в случае контролируемоrо сиrнала
ОТКЛючение производится только при срабатывании, на-
пример, измерительноrо opraHa третьей Ступени защиты
349
стороны В (рис. 10.1,6), имеющеrо зону действия, б6ль-
шую длины участка. Такое выполнение защиты характери-
зуется следующими особенностяМИ:
если первые ступени защит А и В перекрывают друr
друrа и в сумме с запасом охватывают длину участка АВ
(что всеrда имеет место при дистанционных защитах), то
повреждения в любой ero точке MorYT отключаться без вы-
держки времени; "
не обеспечивается отключение повреждения без выдерж-
ки времени, возникшеrо вне зоны 1 ступени данной защиты
(например, А), если защита друrой стороны В не срабаты-
вает (например, при одностороннем питании, включении
линии под напряжение).
Для линий сверхвысоких напряжений использование
для защит отключающих сиrналов рассмотрено ВЫШе. Та-
кое решение может оказаться целесообразным и для линий
с ответвлениями в распределительных сетях 110 220 кВ.
10.7. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТ ЛИНИй С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ
Общие данные. Под линиями с ответвлениями обычно
понимаются такие, к которым производится присоединение
элементов (как правило, понижающих трансформаторов)
без установки на образующихся таким образом частях ли-
нии дополнительных выключателей. Широкое применение
линии с ответвлениями получили в распределительных се-
тях 6 1 О кВ с присоединением к ним трансформаторов
малой мощности через их защитные предохранители.
В этом случае релейная защита линии, если она быстро-
действующая, при К3 в трансформатор может срабаты-
вать еще до переrорания предохранителеи трансформатор .
Но подача напряжения на отключившуюся линию (устрои-
ствами ЛПВ, ЛВР) может быть и успешной, если предохра-
нители успевают переrореть.
Линии с ответвлениями встречаются также при осуще-
ствлении упрощенных подстанций на напряжения 11 o
220 кВ коrда понижающие трансформаторы присоединя-
ются к' линии С помощью отделителей и снабжаются ко-
роткозамыкателями (один по схеме фаза земля),
осуществляющими искусственное К(1) (рис. 10.2 а) при
срабатывании защит от внутренних повреждении транс-
форматора. На это Юl) должна реаrировать защита линии.
В бестоковую паузу отделитель отключает трансформатор,
а линия с помощью ЛПВ включается обратно в работу.
350
Ниже коротко рассматриваются защиты линий, питающих
упрощенные подстанции 110 220 кВ на присоединениях.
При этом учитывается необходимость отключения потре-
бителей подстанции (например, крупных двиrателей), кото-
рые моrли бы, являясь кратковременно источником пита-
ния, препятствовать успешному действию ЛПВ.
А
А
Рис. 10.2. Распределение токов и мощностей К3 на линии с ответвле-
нием
Защиты с относительной селективностью (дистанцион-
ные и токовые). При выборе параметров срабатывания
ступеней защит в общем случае приходится учитывать до-
полнительные условия, которые MorYT заrрублять защит
(уменьшать защищаемые зоны), отстройку 1, II ступенеи
от К3 за трансформаторами (автотрансформаторами) от-
ветвлений, отстройку от бросков намаrничивающих токов
трансформаторов последних. Подпитка со стороны ответв-
лений также может уменьшать защищаемые зоны.
Третьи (резервные) ступени защит в некоторых случаях
целесообразно выполнять действующими при направлении
мощности К3 не от шин в участок с ответвлениями, а на-
оборот от последнеrо к шинам, что может иноrда обеспе-
чивать сохранение в работе ответвлений.
Защиты с абсолютной селективностью. Имеющие наи-
большее распространение продольные (токовые диффе-
ренциально-фазные и направленные) защиты с ВЧ блоки-
ровкой на линиях с ответвлениями принципиально MorYT
выполняться в двух вариантах: двумя комплектами, вклю-
чаемыми только на основных подстанциях, или комплекта-
ми, включаемыми Ka на основных подстанциях, так и на
Ответвлениях. При этом последние на подстанциях OTBeTB
ления без rенерирующих источников используются только
351
как блокирующие комплекты защит питающих сторон (ПРIl
внешних К3 на подстанциях ответвлений). В первом, про-
стом выполнении ПО защит, контролирующие цепи ОТ-
ключения, должны дополнительно отстраиваться от К3 за
трансформаторами ответвлений и от бросков их намаrни-
чивающих токов, что может недопустимо заrрублять защи-
ту. При втором выполнении такой отстройки не требуется,
однако MorYT возникат дополнительные затруднения, ко-
ротко рассматриваемые ниже применительно к отдельным
защитам.
При использовании дифференциально-фазных токовых
защит с ВЧ блокировкой в случае внешнеrо К3, например
в точке К за трансформатором ответвления В с rенериру-
ющим источником (рис. 10.2, а), наибольший ток ПРОХОДИТ
через комплект В. Если при этом ero токовый пусковой ор-
[ан цепи отключения срабатывает, а ПО двух друrих ком-
плектов на подстанциях А и Б не срабатывают, защита
в целом будет воспринимать внешнее К3 как внутреннее
и неправильно отключит выключатель стороны низшеrо
напряжения В. ДЛЯ исключения излишнеrо срабатывания
защиты требуется дополнительный разнос токов срабаты-
вания ПО, разрешающих отключение и пускающих пере-
датчики. Предельным расчетным будет, очевидно, случай,
коrда токи двух друrих сторон равны между собой и со-
ставляют половину тока К3 в ответвлении В; при этом не-
обходимо дополнительное заrрубление защиты в 2 раза.
При наличии двух ответвлений с питанием может потребо-
ваться еще большее заrрубление.
При наличии одноrо ответвления можно избежать за-
rрубления защиты, применяя для нее ПО не тока, а ком-
пенсированноrо напряжения обратной последовательности
и; == и 2 Z K I 2 , [де и 2 и 12 напряжение и ток в месте
включения комплекта защиты, а ZK сопротивление ком-
пенсации. Эти сопротивления для ;:рех комплектов защиты
подбираются таким образом, чтобы при любых внешних
К3 2' подводимые к ПО, были одинаковыми И.равными
!!.2 в точке ответвления (ZK в каждом комплекте принима-
ется равным сопротивлению линии между местом ero уста-
новки и точкой ответвления). Необходимо, однако, отме-
тить, что при наличии нескольких ответвлений с питанием
не представляется возможным Подводить одинаковые и;
при любых внешних К3 и требуется дополнительное за-
rрубление ПО, действующих на отключение.
352
ают и некото р ые друrие вопросы выполнения рас-
ВОЗНИК u (
е мой защиты линии с ответвлениями см., напри-
сматрива
[48, 63]).
ме р hри использовании направленных защит с ВЧ блоки-
u В случае внешних К3 (точка К на рис. 10.2, а) так-
РОВ жет срабатывать (за счет большеrо тока) только ПО
же ы со сто р оны В Однако излишнеrо срабатывания за-
защит u . К3
иты В не произоидет, так как мощость направлена
В и ОНМ, разрешающий отключение, не uсрабатывает.
НеобходиМО, однако, отметить, что для линии с о ветвле-
ми имеющими питание, при наличии обходнои связи
ниЯ , б К3
( ис. 10.2,6) защита может отказывать в ра оте, если
вgзникнет, например, в точке К, у одноrо из концов линии
Б коrда направления мощностей соответствуют как бы
с учаю К3 вне защищаемоrо участка. В этом случае рас-
сматриваемая защита может сработать u только после от-
ключения выключателя участка, ближаишеrо к месту по-
вреждения, например резервной защитой со стороны
подстанЦИИ Б. Этот недостаток присущ и дифференциаль-
но-фазным токовым защитам.
В общем случае направленные защиты оказываются
лучше приспособленными для работы на линиЯх с ответв-
лениями. Для быстрой ликвидации повреждений, коrда эти
защиты, как и дифференциально-фазные, MorYT отказывать
вследствие знаков мощности, соответствуюЩИХ внешним
К3, целесообразно добавление устройств передачи отклю-
чающих сиrналов.
Высокочастотный канал направленной защиты может
использоваться, как предложено во ВНИИЭ (Я. С. [ель-
фандом, Л. С. Зисманом и В. С. Скитальцевым), и для
передачи отключающих сиrналов.
Выпускаемая в настоящее время новая направленная
защита с ВЧ блокировкой (см. rл. 7) имеет дополнительные
opraHbI, обеспечивающие ее удовлетворительную работу
при установке на линии с ответвлениями.
Дистанционные защиты, дополненные блокирующими и
отключающими сиrналами. В случаях, коrда считается до-
пустимым не иметь на линиях отдельных основных и ре-
зервных защит (например, в распределительных сетях
110 кВ), такие схемы MorYT обеспечивать более простое ре-
шение вопроса выполнения защит линий с ответвлениями,
осуществляющих отключение поврежденных участков без
выдержки времени.
23 855
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды защит преимущественно используются
в сетях 6 10 кВ?
2. Почему и в каких случаях на линиях 6 10 кВ часто
используется единственная защита от КЗ?
3. Какие виды защит используются в сетях 20 35 кВ?
4. Почему защиты о., КЗ в сетях 6 35 кВ выполняются
двухфазными?
5. Какие виды защит применяются в сетях 110 220 кВ?
6. Почему в сетях 110 220 кВ часто используются ди
станционные защиты?
7. Какие защиты преимущественно используются в ce
тях 110 220 кВ от К(1)?
8. Как обычно осуществляется резервирование в сетях
110 кВ и выше?
9. Какие защиты всеrда предусматриваются на линиях
сверхвысоких напряжений в качестве основных?
10. Какое требование ко времени срабатывания часто
предъявляется к резервным защитам линий сверхвысоких
напряжений?
11. Какие специальные решения принимаются для OT
ключеНия КЗ на оставшихся двух фазах в цикле ОАПВ?
12. Каковы особенности выполнения защит линий с OT
ветвлениями?
rлава одиннадцатая
ЗАЩИТА ШИН СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИй
11.1. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИй И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ
Виды повреждений на шинах электроустановок опре
деляются напряжением сети, в которую они входят. В сетях
с UHoM 110 кВ, имеющих rлухозаземленные нейтрали, учи
тываются все виды мноrофазных КЗ в одной точке и К(1),
в сетях с UHOM 35 кВ, имеющих нейтрали, изолированные
или заземленные через дуrоrасящие уеакторы, все виды
мноrофазных КЗ, в том числе и Kl .I . Специальных защит
K (I) и
от з в сетях с HOM 35 кВ не предусматривается, orpa
НИЧl1ваются сиrнализацией от устройств контроля изоляции
и защит присоединенных линий от K I). Вероятность по
354
в еждений на шинах относительно невелика. Однако недо-
с аточно совершенная их ликвидация может обусловливать
тяжелые последствия даже для системы в целом. Поэтому
считается обязательным такое выполнение защит в систе
ме, которое обеспечивало бы эффективную ликвидацию КЗ
на шинах.
11.2. спОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ВИДЫ ЗАЩИТ
Защита шин от КЗ может осуществляться двумя спосо
бами: защитами с относительной селективностьЮ присоеди
ненНЫХ к ним линий и друrих элементов, являющихся re
нерирующиМИ источниками или связанных с ними, или спе
циальныМи защитами. Защитами элементов оrраничиваются
в случаях, коrда ими обеспечивается необходимая селек-
тивность при внешних КЗ и выдержки времени не худшие,
чем при отключении повреждений на защищаемых ими
элементах. Например (рис. 11.1, а) применение специаль-
Рис. 11.1. Случаи, коrда защита шин осуществляется защитами прИ'сое
диненных к ним элементов
ной защиты явилось бы необоснованным для шин пони
жающих подстанций в сети, линии которой имеют защиты
с относительной селективностьЮ (дистанционные, токовые
и токовые направленные) и нормально работают присоеди-
ненными к одной (общей) системе шин. Такое же положе
ние имеется при питании в нормальном режиме подстанции
ПО одной линии (рис. 11.1, б).
Специальные защиты шин применяются, например, при
ВЫПОлнении основных защит всех присоединенных линий
БЫстродействующими (с абсолютной селективностью) ПО
условию сохранения устойчивой работы системы, в случа
23*
355
ях одновременной работы элементов с одним выключате
лем на присоединение на двух системах шин с нормально
включенным шиносоединительным выключателем (рис.
11.2, а и б) или при включении элементов через два вы-
ключателя по полуторной схеме (рис. 11.2, в) и ей подоб-
ных с рассматриваемой точки зрения. Такая защита может
иноrда потребоваться и для шин подстанций, соединенных
линией с ответвлениями, для обеспечения более надежноrо
питания потребителей последних (рис. 11.2, с).
к: специальной защите шин MorYT предъявляться и до-
полнительные требования, например на мощных электро-
станциях (см. rл. 12).
о}
В)
Рис. 11.2. Случаи, коrда требуется осуществление специальной защиты
шин
356
в качестве специальных защит шин наиболее часто при
менЯЮТСЯ разновидности дифференциальных токовых защит
(сМ. rл. 8) как моrущие обеспечить быстрое и правильное
отключение К:З при различных схемах электрических со-
единений. При этом учитывает;я наличие на всех присоеди
нениях защит с относительнои селективностью, которые
будут работать как резервные при К:З на шинах. Исполь-
зуются также токовые, токовые направленные (см. rл. 5),
в том числе с косвенным сравнением электрических вели-
чин (см. r л. 7), и иноr да упрощенные дистанционные за-
щиты (см. rл. 6).
11.3. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
Возможно два различных выполнен,ИЯ таких защит:
в виде токовых (в общем случае со ступенчатыми харак-
теристиками выдержки времени), рассмотренных в rл. 5,
или в виде токовых с блокировкой, работающих без BЫ
держки времени (см. rл. 7).
Первое выполнение рассматривается на примере защи-
ты секционированных шин низшеrо напряжения подстан-
ции по рис. 11.3. Предполаrается, что ОТХОДЯЩИе от шин
нереактированные линии с односторонним питанием име-
} к махcuма.льно;;
токо80и. защите
тpaHctf70pMamopa
к защите
ЛUНlJ.lJ.
На отнлю
чени/! Q1
Рис. 11.3. Совмещенная структурная схема токовой ступенчатой защи-
ты на секционном ВЫКЛЮЧ[lтеле
357
ют двухступенчатые (с 1 и III ступенями) токовые защиты.
Для защиты секций используются токовая двухступенчатая
защита (ступени II и III), включаемая на ТА секционноrо
выключателя, и максимальные токовые защиты понижаю-
щих трансформаторов (см. rл. 13). Выдержка времени
tbl == '1 +ы (принимая t защит линий приблизительно paB
ной t дифференциальной защиты трансформаторов, рабо-
тающей без выдержкИ времени). Выдержка времени t I ==
== t ax + t, выдержка времени защиты трансформатора от
внешних КЗ tT::::::::t I+M. Токи срабатывания II и III сту-
Пl1тающая
сторона
(ЗАПРЕТ)
(или)
Рис. 11.4. Быстродействующая токовая защита секции шин
пеней защит шин выбираются в соответствии с условиями,
рассмотренными в rл. 5. Чувствительность защиты прове-
ряется по КЗ на защищаемой секции шин и как резервной
при КЗ в конце элементов, питаемых от шин.
При одноступенчатой защите линий защита шин также
превращается в одноступенчатую и может вообще не уста-
навливаться, если выполнять защиту от внешних КЗ транс-
форматоров с двумя выдержками времени, с меньшей из
которых будет отключаться секционный выключатель. Од-
нако такая защита обладает меньшей чувствительностью,
так как отстраивается от cYMMapHoro рабочеrо тока потре-
бителей подстанции, а не одной секции.
Рассмотренное выполнение защиты используется для
358
заI1lИТЫ шин 6 lO кВ, разделенных на две секции, если
получающиеся времена ликвидации КЗ считаются допу-
стИМЫМИ.
Второе выполнение рассматривается, для простоты, на
лримере защитЫ секции шин с односторонним питанием по-
требителей (рис. 11.4). Токовая защита включена на по-
нижающем трансформаторе. При внешних (по отношению
к шинам) КЗ на присоединениях она получает блокирую-
щие сиrналы (по схеме ЗАПРЕТ) от измерительных opra-
нов тока (действующих без выдержки времени) защит пи
таемых присоединений. Поэтому защита шин при внешних
КЗ не срабатывает, а при внутренних действует практиче
ски без выдержки времени. Защита была разработана еще
в начале 30-х rодов СРЗиУ ТЭП, но распространения не
получила. В последние rоды на нее снова обратили внима-
ние частичнО в связи с тяжелыми последствиями при по-
вреждениях в комплектных распределительных устройст-
вах 6 10 кВ.
11.4. НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ
Действие защиты (см., например, [1]) основывается на
косвенном сравнении (см. rл. 7) направлений (знаков)
мощности на элементах, присоединенных к защищаемым
шинам. В случае КЗ на шинах мощности КЗ (имеются
в виду полные мощности) направлены внутрь защищаемой
зоны, что обеспечивает защите возможность действовать на
Отключение. При внешних КЗ мощность в поврежденном
элементе направлена от шин и действие защиты блокиру-
ется. На четкость работы защиты при несимметричных КЗ
и повреждениях через Rп MorYT влиять мощности наrрузок,
поэтому в общем случае требуется отстройка от них изме-
рительной части защиты. Проще обстоит дело при исполь-
зовании направлений (знаков) аварийных слаrающих
МОЩностей (нулевой, обратной, полной), так как они Bcer-
да направлены от места КЗ к нейтралям элементов любоrо
вида. Пока такие защиты на практике распространения не
ИМеют. Возможно, к их рассмотрению возвратятся при ис-
пользовании новой микропроцессор ной элементной базы.
11.5. ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ
Принципы выполнения защиты были разработаны
СРЗиУ ТЭП [1] применительно к шинам reHepaTopHoro на-
пряжения станции, секции и линии (с односторонним пита-
нием) которой реактированы (рис. 11.5). Защита в первом
варианте выполняется ненаправленной с одной II сту-
пенью. Ее комплекты ''Включаются на всех элементах, свя-
} К зашите от
8нешних К 3,
децст8ующец
на (1l71l<лючение 8.1
G)
1;
Рис. 11.5. Дистанционная защита секций шин reHepaTopHoro напряже-
иия
зывающих защищаемую секцию с друrими частями систе-
мы, имеющими источники питания (например, на траНс-
форматоре, секционном реакторе). На reHepaTope секции
специальная дистанционная защита не предусматривается,
если считается допустимым использовать для расссматри-
ваемой цели ero защиту от внешних КЗ (см. rл. 12). Защита
на секционном выключателе предназначается для действия
на обеих смежных секциях, поэтому она имеет два комп-
лекта opraHoB сопротивления, включаемых на общую rруп-
пу Т А и питаемых от TV смежных секций.
II
Выдержка времени t ш предотвращает срабатывание
защиты при КЗ в статорной обмотке reHepaTopa и со сто-
ЗБО
ОНЫ reHepaTopHoro напряжения трансформаторов секции,
меющнх дифференциальные токовые защиты. Сопротивле-
ние срабатывания отстраивается от минимальноrо сопро-
тивления Z8 тin на зажимах при КЗ за сосредоточенными
11
Рис. 11.6. Совмещенная структурная схема дистанционной защиты шин
с ВКЛЮчеиием орrаиа сопротивления на сумму токов питающих эле-
ментов
СОПРотивлениями реакторов и трансформаторов. Для повы-
Шения чувствительности, сокращения аппаратуры, выпол-
нения без выдержки времени защиту (второй вариант) це-
лесообразно включать на сумму токов питающих элемен-
Тов (рис. 11.6); чувствительность ее при этом повышается
за счет исключения отстройки от КЗ за трансформаторами
и секционным реактором, имеющими сопротивление, мень-
шее СОпротивления реакторов питаемых линий. В настоя-
361
щее время защита используется редко, так как ее замени-
ла для рассмотренной схемы так называемая неполная
дифференциальная токовая защита (см. 11.9).
11.6. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ
ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
Принцип выполненhя защит рассмотрен в rл. 8. Приме-
нительно к защите шин приходится учитывать ряд особен-
ностей, перечисленных ниже.
Возможны большие кратности токов внешних к.з, не
оrраничиваемые, как часто в защитах линий, сопротивле-
нием последних. Соотношения при этом иноrда получаются
такими, что трудно обеспечить для Т А, имеющих сердеч-
ники без зазоров, полные поrрешности 8===0,1 даже в уста-
новившихся режимах. При этом возникают большие токи
небаланса /нб, от которых необходима отстройка. С дру-
rой стороны, например при повторном включении повреж-
.ценных шин устройством АПВ одноrо из при соединений,
токи к.з, на которые защита должна реаrировать, MorYT
быть невелики. Необходимо учитывать, особенно при боль-
шом числе присоединений, нарушения цепей Т А, возмож-
ность переключения элементов разъединителями на раз-
ные системы шин и т. д. При выполнении схем защиты про-
водятся мероприятия, обеспечивающие получение удовле-
творительной защиты с учетом приведенных затруднений.
Принципиально возможны два основных выполнения
защит с непосредственным сравнением токов или только
их фаз. Фазы вторичных токов Т А при внешних к.з часто
искажаются относительно меньше, чем их амплитуды. Па
этой причине предпочтение моrло бы отдаваться схемам со
сравнением фаз. Однако при этом, как уже отмечалось для
направленных защит (см. 11.4), приходится учитывать
влияние токов наrрузки присоединений, которые MorYT ис-
кажать фазные соотношения. С учетом этоrо варианты за-
щит со сравнением фаз в отечественной практике широкоrо
распространения не получили и ниже не рассматриваются.
Достаточно всестороннее рассмотрение разных вариантов
схем и расчет их параметров приведены в [64].
Действующее значение ТОка небаланса в измерительном
opraHe защиты при принятых условных положительных На-
правлениях (см. rл. 8) и одинаковых К! трансформаторов
тока ТА ! б === (! aMl + ! aM2+"'+! aMn) "''"' ! aMп' Ана-
п l
362
rичное выражение может быть записано и для MrHoBeH-
x значений токов. Полаrая в первом, приближении, что
основная слаrающая / нб определяется 1 нам Т А, через кото-
рый проходит полный ток /к,вн внешнеrо к.з, получаем для
первичноrо тока небаланса выражение / нб::::::: kаперkодн8/ к,вн,
rде kапер> 1 учитывает возрастание поrрешности в пере-
ходном режиме, kодн 1 однотипность Т А и условий их
работы (в данном случае принимается равным 1). С уче-
том Toro, что /нб возрастает с увеличением /к,вн, для от-
стройки от Hero целесообразно использовать принцип тор-
можения от токов в фазах ТА. С друrой стороны, MorYT
быть большие переходные iнб даже при относительно не-
больШих кратностях /к,вн (выше учитывлсяя k апер ), от ко-
торых хорошую отстройку дает, например, применение про-
межуточных насыщающихся Т А Т ALT. Сочетание обоих
способов отстройки было возможно при использовании р ле
с маrнитным торможением, разработанноrо в НПИ. В по-
следнем были также предложены Т ALT усиленноrо дейст-
вия [56], а затем еще более совершенные их исполнения
(см., например, [48]). Все перечисленные реле выполняют-
ся на электромеханической элементной базе, и в настоящее
время обсуждается вопрос о возможности снятия их с про-
изводства. Поэтому ниже рассматриваются более совре-
менные выполнения отстройки от токов небаланса. Решение
вопроса облеrчается тем, что для защит шин токи срабаты-
вания Ic,з принято выбирать б6льшими /раб тах отдельных
присоединений, чтобы иметь возможность осуществлять
контроль исправности вспомоrательных проводов, соединя-
ющих Т А с устройством защиты, и автоматически выводить
ее из работы при возникающих нарушениях.
а)
о)
РИс. 11.7. Соединение вторичных обмоток трансформаторов ток'а диф-
ференциальной токовой защиты шин:
а На релейном щите; б в распределительном устройстве
363
Соединительные провода отдельных Т А соединяются
между собой у измерительноrо opraHa (рис. 11.7, а) или На
сборке в распределительном устройстве (рис. 11.7, б). Пре.
нмуществом BToporo способа является экономия в конт.
рольном кабеле, однако ero применение оказывается невоз.
можным, например, для защит с торможением, коrда к из-
мерительному opraHY должны подводиться токи фаз
присоединений. .
При использовании Т А с различными КI часто непо.
средственно у последних устанавливаются промеЖУТОЧные
Т А с КIПР> 1, выравнивающие реЗУЛЬТИрующие значения
коэффициентов трансформации и одновременно снижаю.
щие вторичные токи, что дает возможность применения
проводов меньшеrо сечения.
Ниже рассматриваются принципы выполнения некото.
рых защит.
11.7. ЗАЩИТА ОДИНОЧНОй СИСТЕМЫ ШИН С ТОРМОЖЕНИЕМ НА
ВЫПРЯМЛЕННЫХ ТОКАХ
Возможны разные схемы выполнения таких защит (см.,
например, [64J). Ниже в первую очередь приводится ва-
риант, рассматриваемый в отечественной литературе и ши-
роко применяемый за рубежом. В нем осуществляется
сравнение дифференциальноrо тока I I д ', определяемоrо
выпрямленной суммой токов 1/21+/2II+ ...+/2nl, с тормоз-
ным током II торм 1, определяемым суммой выпрямленных
значений тех же тОКОв 1!211 + ' 2III +...+' Iзпl. Указанное
сравнение производится в реаrирующем направленном
opraHe, включаемом на разность рабочей и тормозной ве-
личин (рис. 11.8). В такой схеме при внешних 1(3, считая
Рис. 11.8. Выполненне дифференциальиой токовой защиты шнн с тор-
можением на выпрямленных токах
364
оки подходящие к шинам и отходящие от них, совпаДаю
им по фазе, ток 13==0 при точной трансформации или
Iз===/нб при наличии токов намаrничивания ТА; в случае
К3 на шинах I з """/ к в точке 1(3 и защита будет срабаты
вать, если ток I торм меньше указанной выше суммы.
Уравнение срабатывания схемы по этому варианту
имеет виД l дl kТОРмI/30Рмl с,зтiп ИЛИ 1 21+/ 1I+...
.., + 1 2 п' kTOPM ('!2! 1+ II 2II , +... + I I п I ) /с,зтiп, rде k TOPM <
< 1. В общем случае условие срабатывания защиты при
НЯТО (см. rл. 8) характеризовать выражением Iс,з ==
==/c зтiп+kторм/торм, Применительно к защите шин I с ,зтin
определяется условием отстройки от IРабтах элемента, по-
являющеrося в рабочей цепи защиты при разрыве цепи
вторичной обмотки ТА этоrо элемента. В этом случае тор-
мозной ток будет определяться суммой токов всех при-
соединений, за исключением указанноrо l Ра бтах, одноrо
присоединения, и Iс,зтiп+kто рм (/ 1:Harp /Harpтax) ==kотJрабта".
Для внешнеrо 1(3 за расчетный случай для выбора TOpMO
жения можно принять режим, коrда суммарный ток
Iк,витах проходит по одному элементу, суммируясь из то-
ков всех друrих элементов. ТОl'да суммарное торможение
будет определяться примерно удвоенным 1 К,витах, а с уче-
том поrрешности в токе ti (которая может быть MHoro
больше 0,1) Т А с током Iк,витах выражением (2 fi) Х
Х 1 к витах.
Уравнение для тормозной характеристики будет при
этом иметь вид
1 + k ( 2 f ) 1 == k" вI .
с,зmln торм i К,внтах атс К,внтах
Совместный учет двух приведенных отношений (с за
пасом) в первом приближении дает возможность оконча-
тельноrо определения членов выражения для тока Iс,з:
Iс,зтiп==kотс/рабтах И kTOPM==kOTcB/(2 fi).
Разработка отечественной защиты и методов выбора
ее параметров с учетом сформулированных выше особен-
НОстей для шин была осуществлена ОР3АУМ ЭСП
(r. т. rpeK и С. Я. Петров). В общем случае условие сра-
батывания этой схемы II д I kTOPM (1 I торм I I 1 д 1) I с,зтiп.
Таким образом, этот вариант отличаетёя от расёмотрённоrо
выше тем, что в нем торможение определяется как раз-
Ность ранее использованных '/TOPMI и !/дl. При этом HO
Бое значение k TOPM обычно выбирается нёсколько б6льшим.
Отличительной особенностью варианта является близкое
365
к нулю торможение при внутренних КЗ. Однако результи-
рующий эффект схемы, как и подобных ей схем на индук-
ционных системах, как было показано в работах ОРЗАУМ
ТЭП (см., например, [10]) оказывается тем же, что и для
первоrо варианта защиты.
Необходимо отметить, что максимальные ДОПУСТИмЫе
значения k TOPM (в paC MOTpeHHOM ero понимании) по усло-
виям чувствительности защиты всеrда меньше 1. Для не-
которых схем электрических соединений значения k TOPM
MorYT оrраничиваться и токами наrрузки, создающими
значительные тормозные токи. Такие случаи наиболее ве-
роятны, коrда защита защищает двойную систему шин.
Тоrда при КЗ на опробуемой или включаемой АПВ систе-
ме шин при большой наrрузке друrой работающей систе-
мы или при КЗ на ОДНОЙ из систем шин, работающих с от-
ключенным шиносоединительным выключателем, но свя-
занных через систему, k TOPM выбирают меньше 0,35 [10].
Для общеrо повышения чувствительности в рассмотрен-
ном случае включения системы шин возможно предусмат-
ривать временное автоматическое снижение k TOPM '
Чувствительность защиты определяется в соответствии
с условиями rл. 8, с тем уточнением, что расчет можно
проводить без учета Rп, которые при КЗ на шинах обычно
малы.
Рассмотренный в защите принцип торможения не дает
непосредственной отстройки от переходных слаrающих
iНб. Поэтому для уменьшения влияния на работу измери-
тельноrо opraHa указанных слаrающих в схеме предусмат-
риваются упрощенные фильтры. Возможно также преду-
сматривать дополнительные элементы, исключающие тор-
можение при неБОЛЬШИJ\ тормозных токах (например, в
. пределах IРаб элементов rл. 8).
Защита по разработке ОРЗАУМ ТЭП прошла длитель-
ную положительную эксплуатационную проверку и исполь-
зуется при UHOM 110 кВ для разных rлавных схем элект-
рических соединений электроустановок, если более про-
стые защиты, например с промежуточными насыщающи-
мися ТА (TALT), не обеспечивают необходимой чувстви-
тельности. Принципы защиты MorYT быть также с успехом
использованы для осуществления специальных защит оши-
новок блоков rенератор трансформатор (см. rл. 13) и
в друrих аналоrичных случаях.
Пример структурной схемы защиты для одиночной си-
стемы шин приведен на рис. 11.9. Устройство контроля
366
исправности вспомоrательных проводов УК действует на
сиrнал и автоматически выводит защиту из работы с BЫ
держКОЙ времени, большей максимальных выдержек вре-
мени защит элементов (для предотвращения излишних
срабатываний при КЗ в системе). Устройство имеет само-
удержание, снимаемое вручную. Устройство контроля в
виде ИО тока (реле КА на схеме на рис. 11.9) может
включаться в нулевой провод дифференциальной защиты
или в три фазы дифференциальной цепи (возможно ис-
пользование трехфазноrо ио) для охвата случаев одно-
BpeMeHHoro нарушения цепей Т А всех фаз. Ero ток сраба-
Рис. 11.9. Пример совмещенной структурной схемы защиты по рис. 11.8
тывания отстраивается только от I нб рабочих режимов.
Последо ательно с ним включается нормально зашунти-
рованныи миллиамперметр тА. Оперативный ток к защи-
те подводится через отдельные предохранители (автомати
ческие выключатели) от шинок управления. Отключаю-
щие сиrналы на выключатели подаются отдельно от цепей
УПравления последних.
Защитное заземление вторичных цепей ТА осущест-
;яется не у каждой rруппы Т А элемента, а в одной общей
чке у места установки устройства защиты (для исклю-
чения появления в дифференциальных цепях токов наво-
док и т. п.).
Выше рассмотрен один из наиболее работоспособных
;ариантов дифференциальной защиты шин. Возможны и
руrие ее исполнения. В связи с этим применительно
к Микроэлектронной элементой базе, дающей возможность
ОСУществления весьма быстродействующих устройств, за-
367
служивает внимания вариант с использованием MrHoBeH-
ных значений токов (см. rл. 5), которые в первые миЛли-
секунды трансформируются т А со стальными сердечника-
ми достаточно точно, если даже в следующие доли перво-
ro периода они начинают насыщаться, нарушая точность
трансформации и резко увеличивая поrрешности в токе fi,
Принципиально в этом случае MorYT быть использова-
ны приведенные выш соотношения, в которых значения
выпрямленных токов 111 заменяются их мrновенными зна-
чениями I il. Имеются также разработки НЭТИ (Л. В. Ба-
rинский), предусматривающие торможение при неболь.
ших кратностях токов внешних I(З и переход на сравне-
ние фаз при больших.
11,8. ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ШИН, РАБОТАЮЩИХ С ФИКСИРОВАННЫМ
ПРИСОЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ С ОДНИМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ
Рассмотренная выше защита приrодна для одиночной
системы шин или друrих систем шин, в которых MorYT
быть выделены секции, к которым элементы присоединя-
ются однозначно через выключатели с относящимися
к ним ТА.
1( середине 30-х rодов встал вопрос о повышении на-
дежности работы электроустановок с Ином> 110 кВ. Они
обычно имели две системы шин с одним выключателем на
присоединение и mиносоединительныM выключателем,
причем только одна система использовал ась для нормаль-
ной работы присоединения. Для повышения надежности
было предложено работать на двух системах с соответст-
вующим распределением элементов между ними. 1( релей-
ной защите предъявлялось требование при I(З на шинах
отключать только одну поврежденную систему. Этому
требованию не удовлетворяет обычная дифференциальная
токовая защита. В СРЗиУ ТЭП (П. И. Устиновым и
Л. Е. Соловьевым) и Мосэнерrо (И. И. Соловьевым) был
разработан ряд специальных выполнений дифференциаль-
ных защит для этоrо случая. Было признано необходимым
для создания приемлемой защиты предусматривать за-
крепление (фиксирование) элементов за системами шин.
Эффективность такой работы значительно повысил ась при
последующем широком использовании обходной системь!
шин, так как при этом отпала необходимость при ревизии
368
выключателей переводить все элементы на одну систем"
I1IИН. При закреплении элементов за системами шин
еРЗИУ ТЭП и ЭСП удалось создать устройства защиты,
получившие широкое распространение на практике, кото-
рые имеют, однако, следующий недостаток: при наруше-
нии фиксации и I(З на одной из систем шин MorYT отклю-
чатьСЯ обе.
Для предотвращения этоrо необходимо производить
переключения в цепях пер'еменноrо и оперативноrо тока
элемента с нарушенной фиксацией.
lUины при фиксированном присоединении элементов
имеют общую дифференциальную защиту, охватывающую
обе системы шин и не различающую, на какой из них про-
изошло повреждение, и избирательную часть, выявляю-
щую поврежденную систему шин. Эта часть может осуще-
ствляться по-разному. В выполнении, предложенном в
30-е rоды (П. И. Устиновым), о'на содержит еще ДВе диф-
ференциальные токоВые защиты, охватывающие отдельно
I
Il
На оm/(лючеНllЕ'
lJыключателе"
I шсmрны Шll/f
На оm/(лючеНLJе
8ы/(лючателец
II ClJCmUfhl шин
РИС II 10 С
защит' . u ов ещенная структурная схема днфференциальной токовой
ы ДВОинои систеМbI шин с тремя комплектами ИО
24 855
369
каждую из систем шин. В 60 e rоды [. т. [реком и
С. Я. Петровым был разработай вариант защиты, в кото-
ром специальный избирательный opraH производит cpaB
нение абсолютных значений дифференциальных токов, ОТ-
носящихся К соответствующим системам шин. Для непо
врежденной системы шин сравниваемый ток близок к ну-
лю, для поврежденной к току в месте повреждения.
[Uёнал 8ы8@аени@ из
аеист8ия
ОmКЛЮЧI?НUI?
Icи.cтe.r.rbI шu'!
I
t
Отключ@ние
Пси.стемы шин
Рис. 11.11. Совмещенная структурная схема дифференциальной токовоЙ
защиты двойной системы шин с одним НО и специальным избирателем
поврежденной системы шин
Дифференциально включенные измерительные opraHbI
защит выполняются по-разному. Широко применялись
opraHbI тока с насыщающимися промежуточными Т А, де-
тально разработанные в НПИ (см. rл. 8) для отстройки
от однополярных переходных токов небаланса. Их приме-
нению способствовало и то обстоятельство, что !с,з обычно
выбирается б6льшим !рабтах присоединений для пре-
дотвращения ложных срабатываний при обрывах во
вторичных цепях ТА. Во втором варианте защиты отстрой-
ка от токов небаланса осуществляется комбинированным
применением торможения от арифметической СУММр! то-
370
ков всех присоединений и частотных фильтров (см. 11.7).
Структурные схемы защит по двум рассмотренным ва-
риантам приведены соответственно на рис. 11.10 и 11.11,
а подробное описание их принципиальных схем напри-
мер в [10].
11.9. НЕПОЛНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАЩИТЫ
Стремление упростить выполнение дифференциальных
токовых защит привело к созданию в 30-е rоды в СРЗиУ
ТЭП неполных дифференциальных защит. Они обычно по
существу представляют токовые ступенчатые защиты, вклю-
1( 8h1xoBHOf'f!f
пj10f'fl?жутОЧНОМIj
I
'I'
&
" ш
От ключа !Jпра6ле
HI.IR В.
Рис. 11.12. Совмещенная структурная схема неполной дифференциаль-
ной ТОКовой защиты сеlКЦИЙ шии reHepaTopHoro напряжения
чаеМые на сумму токов питающих элементов. Структурная
схеМа двухступенчатой (с 1 и 111 ступенями) защиты при-
менительно к секционированным шинам reHepaTopHoro
напряжения станции, питающим реактированные линии,
ПРиведена на рис. 11.12. Измерительные opraHbI тока
ВКЛЮчены на сумму токов Т А питающих элементов (reHe-
раТОра, трансфор атора связи с системой, секционноrо
реактора) и дополнительно трансформатора собственных
24*
371
нужд, если выключатель последнеrо, как обычно бывает,
рассчитан на отключения К3 на ero втулках. Трансформа
тор тока шиносоединительноrо выключателя включается
в схему защиты, только коrда через этот выключатель пи
таются линии, выделенные на резервную систему шин.
Первая ступень (отсечка без выдержки времени) ЯВ.1Я
ется основной. Ее ток срабатывания выбирается бо.lьше
максимальноrо тока в защите .nри К3 за реакторами .1И
ний, не охваченными Т А защиты: п,з==kотсlк,внтах, rде
k OTC > 1 должен учитывать наличие тока наrрузки, продол
жающеrо проходить по неповрежденным реактированным
линиям за счет остаточноrо напряжения на сеКцИИ. Третья
ступень представляет резервную максимальную токовую
защиту. При выборе ее тока срабатывания в общем слу-
чае должен учитываться случай К3 на смежной секции
шин, коrда ее заторможенная наrрузка с помощью АВР
У потребителей частично или полностью подсоединяется
к неповрежденной секции. С учетом этоrо в предположе
нии, что ИО тока в действие не приходили, l :;?koTcX
Х (k lраб,норм+k: lраб,доп), [де k: и k: коэффициенты за-
пуска (см. rл. 5). Иноrда приведен'Ное выражение оказыва
ется расчетным. Друrие условия для выбора l : paCCMOT
рены в rЛ.5. Выдержка времени ступени tIII==tлтах+ t.
Одним из существенных недостатков защиты. может яв:
ляться недостаточная чувствительность первои, основнои
ее ступени. Этот недостаток снижается при замене в ней
opraHa тока на комбинированную отсечку по току и Ha
пряжению (см. rл. 5) или на ненаправленный opraH ПОk
ною сопротивления (см. 11.5). Обеспечение достаточной
чувствительности III резервной ступени при К3 за peaK
торами линий является трудной задачей. При используе-
мом на практике присоединении линий через rрупповые
реакторы (присоединяемые к шинам без выкл:?чателей
III ступень должна была бы являться и основнои защитои
на участке за реактором до места, rде начинают работать
защиты линий. Для таких схем ТЭП предусматривает до-
полнительные максимальные токовые защиты, Т А кото-
рых включаются между шинами и реактором; эти защиты
обычно через общий для них opraH выдержки времени
действуют на отключение тех же элементов, что и основ-
ная защита шин.
Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют два основных способа защиты
шин от К3 и в каких случаях применяется каждый из
них?
2. Какие виды специальных защит наиболее часто ис-
пользуются для защиты шин?
3. Какие особенности условий работы нужно учиты-
вать при осуществлении дифференциальных токовых за
щит шин?
4. Какие принципы выполнения дифференциальных за-
щит шин используются в отечественной праКТJlке?
rлава двенадцатая
ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ rEHEPATOPOB
12.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Синхронные reHepaTopbI MorYT работать непосредствен-
но на шины reHepaTopHoro напряжения (рис. 12.1, а), в
блоках с трансформаторами, в блоках с трансформатора
ми и с ответвлениями, питающими потребителей на reHe
раторном напряжении, например, местную наrрузку (рис.
12.1, б, 6), и по некоторым друrим rлавным схемам элект-
рических соединений станций. Во всех этих случаях при
Ином,с> 1 кВ система reHepaTopHoro напряжения в отече-
ственной практикс работает с нейтралями изолированны-
ми или (редко) заземленными через дуrоrасящий реактор.
&;
а)
372
Рис. 12.1. Варианты схем ВК,lючения rеиераторов в систему
373
374
Особенно опасными являются несимметричные CBepx
токи. Защиты от внешних КЗ, своевременно не ликвидиро
яанных защитами поврежденных элементов, действуют на
отключение выключателей reHepaTopa и rашение маrнит,
I:Ioro поля; последнее предотвращает недопустимое повы-
шение напряжения на отключаемом reHepaTope. При воз-
никновении симметричной или несимметричной переrруз
ки на reHepaTopax с косвенным охлаждением обмоток
защиты действуют на сиrнал, а на reHepaTopax с непо
средственным охлаждением об:'vlОТОК и rидроrенераторах
автоматизированных rидростанций дополнительно на
отключение, если недопустимую переrрузку не удается
своевременно устранить. Недопустимые для reHepaTopoB
несимметричные сверхтоки MorYT также возникать при
недоотключении или недовключении фаз выключателями
(например, выключателями высшеrо напряжения блоков).
Потеря возбуждения определяется нарушениями в си
стеме возбуждения. reHepaTop в этом случае переходит в
асинхронный режим работы со скольжением, достиrающим
нескольких процентов рабочей частоты. reHepaTop может
продолжать выдавать активную мощность, получая воз
буждение за счет реактивной мощности из системы. OДHa
ко такой асинхронный режим даже со сниженной наrруз
кой длительно недопустим, так как вызывает переrревы
в частях reHepaTopa, а иноrда и более тяжелые последст-
вия. Поэтому на современных мощных reHepaTopax преду
сматриваются защиты, реаrирующие на потерю возбужде
ния и при необходимости отключающие reHepaTop.
Возможен и друrой асинхронный режим работы reHe-
ратора с исправной системой возбуждения. Он возникает
при выходе reHepaTopa или rрупп reHepaTopoB из синхро
низма по отношению к остальной части системы. Такой
режим часто называют асинхронным ходом. Он недопус
тим как для reHepaTopoB, так и для системы в целом.
Обычно считается, что асинхронный ход должен ликвиди
роваться не защитами элементов, а специальными устрой
ствами противоаварийной автоматики системы. Последст
вия асинхронноrо хода для reHepaTopa MorYT быть очень
тяжелыми. Так, например, были случаи возникновения у
современных мощных машин при резонансных явлениях
крутящих моментов на валу, значительно превышающих
моменты при трехфазных КЗ на их зажимах, что приво
дило К разрушениям машин. Поэтому устройства противо-
аварийной автоматики часто выполняются действующими
375
Поэтому при выполнении защиты, как правило, соединяе-
мых в звезду обмоток статоров reHepaTopoB учитываются
все виды мноrофазных КЗ и однофазные замыкания. По
следние для reHepaTopoB в отличие от линий возможны
двух видов: K l)Ha землю (на заземленный корпус стато-
ра) и K l) витковое КЗ между витками одной фазы
(см. табл. 1.1). Необходимо у итывать, что возникновение
всех переЧlIсленных повреждений возможно в любых час
тях обмоток, а также что один вид повреждения может
переходить в друrой, более сложный, например сочетание
K l) с K l).
Опасность для reHepaTopoB определяется прежде Bcero
дуrой в месте повреждения. Дуrа на корпус статора вызы
вает оплаВ.1ение активной стали последнеrо, что может
повлечь за собой серьезный ремонт, обусловленный необ-
ходимостью переборки нормально изолированных друr от
друrа листов стали. Возможно также сильное выrорание
изоляции проводов обмоток и самих проводов.
Замыкание на землю в одном месте обмотки возбуж
дения (на заземленный вал ротора reHepaTopa) непосред-
ственной опасности не представляет. Однако возникнове-
ние пробоя во втором месте (одновременное возникнове
ние пробоев в двух местах обычно не учитывается) может
приводить к тяжелым последствиям. Необходим также
учет возможных повреждений в устройствах, питающих
обмотку возбуждения.
Несвоевременное отключение поврежденноrо reHepa-
тора может также нарушить работу остальной части элек-
трической системы.
Защиты, реаrирующие на те повреждения в reHepaTo-
ре, которые представляют непосредственную пасность
для reHepaTopa и системы в целом, должны деиствовать
без выдержки времени на отключение выключателей reHe-
ратора, rашение ero маrНИТiНоrо поля, остановку турбины,
а на rидростанциях также на тушение пожара. rаше-
ние поля должно осуществляться по возможности быстро
и полно, так как им определяется прекращение прохожде-
ния токов повреждения.
Основными ненормальными режимами работы reHepa-
торов являются сверхтоки внешних КЗ и переrрузок, поте-
ря возбуждения (которую можно рассматривать и как на-
рушение в системе возбуждения) и недопустимые повы-
шения напряжения.
не после проворота роторов reHepaTopoB на 3600 (относи
тельно системы), а при расхождении векторов напряже
ний по концам линий электропередачи на определенный
уrол. В последние rоды машиностроители вЫдвиrали Tpe
бование оrраничивать для некоторых типов мощных Ma
шин уrол отключения оси ротора с установкой для этоrо
индивидуальных устройств на reHepaTopax. При этом воз
никает вопрос соrласования их действия с устройствами
противоаварийной автоматик'и. Таким образом, вопрос о
способах предотвращения и ликвидации асинхронноrо xo
да reHepaTopoB находится еще в стадии уточнения.
При выполнении защит reHepaTopoB учитываются TaK
же недопустимые переrрузки цепей ротора и повышения
напряжения.
На rидроrенераторах значительные повышения напря
жения MorYT возникать, например, при сбросах наrрузки
вследствие относительно медленноrо действия их реrуля
торов скорости и инерционности направляющеrо аппарата
турбин.
На турбо и rидроrенераторах предусматривается чув
ствительная защита от повышения напряжения в режиме
холостоrо хода. Она автоматически ВЫВОДится из работы
при наличии тока в фазах статора.
В настоящее время широко используются машины с He
посредственным охлаждением проводников обмоток водо-
родом и водой. Экономически они весьма эффективны.
Однако допускаемые в них повышенные плотности токов
в проводниках обмоток и увеJ1иченные расчетные индукции
в стали маrнитных систем предъявляют повышенные Tpe
бования к защитам, усложняют их выполнение.
Необходимо также отметить, что достаточно сложные
тсхнолоrические защиты arperaToB (ниже не рассматри-
ваемые) требуют иноrда использования датчиков, вклю
чаемых на ИП тока и напряжения reHepaTopoB. С друrой
стороны, эти защиты MorYT, как и друrие защиты reHepaTo
ров, действовать на отключение выключателей, rашение
поля (см., например, [65,66]).
изводится известными способами (см., например, [29]).
Значительно более сложным является определение токов
при I\З внутри этих обмоток (см., например, [67]). По
этому ниже дается ТОЛЬКQ ориентировочная качественная
оценка получающихся соотношениЙ для наиболее просто
ro случая К(З) в дВухполюсном турбоrенераторе (число
оборотов п==3000 l/c), отсоединенном от системы (рис.
12.2, а). Место повреждения характеризуется долеЙ а
замкнувшихся витков, отсчитываемых от нейтрали обмот
/з-}
Кос
ос
5)
а)
(х мин
Rn;::,O
I Rn:f:: {J
loc
1
Рис. 12.2. Симметричное замыкание между тремя фазами обмотки ста-
тора:
а схема поврежденной обмоткн н завнснмость ЭДС ОТ до.1И а замкнувшнхся
витков; б зависимость тока I(з от доли а замкиувшихся витков двухполюсно-
ro reHepaTopa
12.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И НЕНОРМАЛЬНЫХ
РЕЖИМОВ РАБОТЫ rEHEPAТOPOB И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТАМ
Мноrофазные К3. Определение тОков в обмотках CTa
торов при внешних I\З, в том числе и на выводах, коrда
относительное число замкнувшихся витков атах == 1, про
376
ки. Периодическая слаrающая тока { ===fФа/ (Rn+ a),
rде Е фа"""аЕ ф , Rn переходное сопротивление в месте
повреждения, Za ===Ra+jX a , Ra==aR, Ха можно приближен-
но считать для рассматриваемо rо случая п ропорциональ-
ным а 2 . Тоrда l ===аЕ Ф /V{Rп+аR)2+ а 4 х 2. Зависимо-
сти l от а для Rn===O и Rn=l=O приведены на рис. 12.2, б.
Они справедливы, очевидно, до aтiп, соответствующеrо
одному витку. Рассмотрение этих зависимостей и HeKOTO
рые друrие данные, их подтверждающие, дают возмож
ность сделать следующие выводы: ток I\З при Rn===O воз
растает с уменьшением а, поскольку реактивное сопротив
ление уменьшается быстрее, чем эдс; минимальный ток
соответствует а=== 1 и равен для t===O Еф/Х ; при повреж-
дениях через Rn ток при небольших а может снижаться
до малых значений.
В случаях друrих видов мноrофазных I\З зависимости
377
по рис. 12.3, б при аl а2 эти токи MOrYT быть весьма ма-
лыми. Для мноrополюсных машин следует учитывать со-
ображения, рассмотренные выше для междуфазных К3.
С учетом Bcero изложенноrо, было бы желательно
иметь от витковых К3 быстродействующую защиту, реа-
rирующую по возможности на все разновидности этих
повреждений. Создание такой универсальной защиты ока-
залось затруднительным. Поэтому
специальные защиты обычно уста-
навливаются только на [енераторах,
имеющих выведенные параллельные
ветви обмоток, коrда удается вы-
полнить достаточно приемлемые уст-
ройства, особенно при соединении
ветвей обмоток в дВе звезды с со-
единением их нейтралей между со-
бой (рис. 12.3, в). При отсутствии
специальной защиты рассчитывают
на действие при витковых К3 защит
оТ K 1) , поскольку практически вит.
ковые повреждения почти Bcer да
начинаются или сопровождаются
K I). Учитывая это, желательно
иметь защиты от K l), охватываю-
щие все 100 % витков обмоток и
действующие по возможности без выдержки времени.
Однофазные замыкания на землю. Как указывалось
ВЫше, нейтрали в системе reHepaTopHoro напряжения бы-
вают изолированными или заземленными через дуrоrася-
щие реакторы. При определении зависимости I l) от доли
замкнувшихся витков а, ОТСЧИтываемых от нейтрали [ене-
ратора (рис. 12.4), пренебреrают всеми сопротивлениями,
за исключением емкостных сопротивлений фаз на землю
всей системы reHepaTopHoro напряжения (включая емко-
сти фаз обмотки [енератора), индуктивных сопротивлений
дуrоrасящих реакторов и переходных сопротивлений Rп.
На рис. 12.4 емкости COr показаны сосредоточенными на
зажимах [енератора, система предполаrается работаю-
щей с изолированной нейтралью. Для определения устано-
вившеrося тока основной rармоники I целесообразно
использовать метод наложения (см. rл. 1 и 9). Ток I ,
представляющий утроенную аварийную слаrающую тока
нулевой последовательности, будет определяться напря-
379
IK(x, ОТ а качественно остаются такими }ке, как ;! Д.'Iя К(3)
(см., например,:[68]). При этом для K ,l) следует учиты-
вать возможноСть малых 1 К(х, даже при R п == О за счет до-
бавочных сопротивлений в петле К3, например, реакторов
на линиях reHepaTopHoro напряжения. Для мноrополюс-
ных машин (например, rидроrенераторов) заВIIСИМОСТЬ
IK(x, ==f(a) является значительно более сложной, причем
по данным лаборатории имени А. А. Смурова и дальней-
шим более rлубоким работам токи I K MorYT быть значи-
тельно меньшими, чем для двухполюсных машин.
С учетом воЗМожных тяжелых последствий внутренних
мноrофазных К3 считается необходимым выполнять за-
щиту от них быстродействующей, реаrирующей на повреж-
дение в любом месте обмотки.
8итковые К3. Они для [енераторов с обмоткой, не
имеющей параллельных ветвей (рис. 12.3, а), характери-
А В С
.КU
а)
А 'В
с
с
А
в
Рис. 12.3. 8итковые замыкаиия в обмотке статора
зуются долей а замкнувшихся витков; у [енераторов с об-
мотками, имеющими параллельные ветви (рис. 12.3, б),
возможны также замыкания между витками этих вет-
вей. Для ВИТКОВОrо К3 по рис. 12.3, а леrко рассчиты-
вается случай с а тах == 1. Ему соответствует однофазное
[(3 с периодической слаrающей тока I l) ==3 ЕФ/(Х +Х 2 +
+Х О ). Сопротивление нулевой последовательности ХО дЛЯ
[енераторов в ОТЛИЧИе от линий значительно меньше Х] ==
==X , и поэтому ток витковоrо К3 при а== 1 значительно
больше I 3) . Учитывая это, можно полаrать, что токи вит-
ковых повреждений для обмотки по рис. 12.3, а двухполюс-
ных турбоrенераторов при а< 1, как и при междуфазных
К3, MorYT быть весьма большими, требующими быстрой
ликвидации повреждения. С друrой стороны, для случая
37&
А
в
с
[о r
[or
HI'
HI'
HI'
l'
Рис. 12.4. Однофазное
замыкание на землю до-
ли а витков фазы об-
мотки статора
жением в месте пробоя Uа==аЕф, равным аварийному Ha
пряжению нулевой последовательности. Ero значени(
/(I) 3аЕФ/IZоэ+Rпl, или при Rп О /Ш 3аЕФ/(1/(J)Соr)
за
3а(J)СоrЕф. Таким образом, /Ш в отличие от токов при
междуфазных и витковых к.З прямо пропорционален чис
лу витков. При замыкании у неЙтрали / ==0. Непосред
ственную опасность представляют K I), при которых в Me
сте повреждения поддерживается дуrа, оплавляющая aK
тивную сталь статора. Возможность возникновения дуrи
одно время косвенно оценивал ась минимальным напряже
нием аU ф , способным ее поддерживать. Такой подход
имел ряд недостатков, и в начале 50 x [одов в отечествен
ной практике стали оценивать опасность повреждения He
посредственно током в месте K I). За опасный, требующий
автоматической ликвидации, был принят ток / 1) 5 А. При
этом с учетом работ лаборатории имени А. А. Смурова
допускалось действие защит на ОТК.1ючение с выдержкой
времени, а при токах, меньших 5 А только на сиrнал.
При таком подходе допускалось иметь защиты, дейст
вующие на отключение, не охватывающие все 100 % вит
ков обмотки. Защиты [енераторов, работающих непосред
ственно на шины, при полной компенсации емКостных то-
ков моrли бы срабатывать только при Kr) с нарушенной
компенсацией, котда ток / достиrал 5 А и более.
В последние [оды рассмотренный подход к требовани
ям по выполнению защиты от K I), особенно для мощных
тенераторов с непосредственным охлаждением проводни
ков обмоток статора, подверrся существенным уточнениям.
Это определяется рядом обстоятельств. Непосредственно
опасными. для современных мощных [енераторов, напри
мер по данным чехословацких специалистов, MorYT быть
токи / I), существенно меньшие 5 А. В эксплуатации OTMe
чались случаи пробоев вблизи нейтралей обмоток,
обусловленные, например, постепенным снижением изоля
ции обмоток при их внутреннем охлаждении водой, а так-
же механическими причинами. Своевременно не выявлен-
ные K I) MorYT переходить в очень опасные витковые к.З и
даже K1 "), Защита от K ') , охватывающая всю обмотку и
действующая на отключение, может (как указывалось вы-
ше) защищать [енератор и от витковых к.З, если они со-
провождаются замыканиями на землю.
Поэтому в настоящее время считается необходимым
на тенераторах, работающих в блоках с трансформатора-
ми (автотрансформаторами), иметь защиту от K I), охва-
тывающую все 100 % витков обмотки, поскольку имеются
для этоrо необходимые устройства. Для [енераторов, ра-
ботающих на шины, тде осуществление таких 100 % -ных
защит более затруднительно, допускают применение ва-
риантов с «мертвыми» зонами у нейтралей.
Несимметричные сверхтоки. Ниже под несимметричны-
ми сверхтоками будут пониматься токи в обмотках стато-
ра, характеризующиеся наличием в них составляющих
обратной последовательности, значения которых превыша-
ют длительно допустимые для тенераторов. Составляющие
/2 создают маrнитное поле, вращающееся относительно
ротора е удвоенной частотой и индуктирующее в нем токи
двойной частоты. Эти токи создают опасные местные Ha
тревы в контактных переходах торцевой зоны бочки ротора.
Значительные /2 вызывают также, например у некото-
рых типов rидроrенераторов, сильную механическую виб-
рацию arperaToB. Поэтому длительно допустимой счита
ется работа с током /2, не превосходящИм примерно
7+20 % /иом.r (в зависимости от типа [енератора). В тече-
ние оrраниченноrо времени по условию допустимоrо Harpe-
ва частей ротора MorYT допускаться значительно б6ль-
шие /2'
Зависимость допустимой длительности (в секундах)
наличия составляющеЙ обратной последовательности тока
в обмотке статора [енератора принято характеризовать
уравнением адиабатическоrо процесса
[ ДОП == A/!i, (12.1)
тде /2 относительное значение эквивалентноrо средне-
*
квадратичноrо тока обратной последовательности в долях
/HoM,r, определяемое по выражению
r tдоп
I \ i (/) dl;
t доп "
о
1
12 ==
· /иом,r
А постоянная для данноrо типа тенератора величина,
значение которой численно равно допустимой длительно
сти работы [енератора в секундах при токе /2==/HoM,r, т. е.
12==1.
*
380
381
Значения величины А измеряются в довольно широких
пределах: для турбоrенераторов примерно от 30 с
(с косвенным охлаждением) до 6 с (с непосредственным
охлаждением обмоток статора и ротора и мощностью бо
лее 800МВт); для rидроrенераторов с косвенным охлаж
дением A 40 с и с непосредственным 20 с. Возможный
подход к уточнению А дан в [65].
Действительные условия HarpeBa частей ротора TOKa
ми 12 оказываются значительно более сложными. При He
больших 12 процесс оказывается неадиабатическим и дей
ствительные t доп MorYT быть и больше; наоборот, при зна
чительных 12 возможны местные более опасные переrревы
[76]. Тем не менее выражение (12.1) получило широкое
применение при выборе параметров срабатывания и oцeH
ке защит, действующих как при возникновении CBepXTO
ков переrрузки токами 12, вызванными разными причина
ми (разрывы фаз в системе, недоотключения и недовклю
чения фаз выключателей и т. п.), так и при сверхтоках
внешних несимметричных КЗ.
От внешних, в том числе особо тяжелых несимметрич
ных КЗ, не отключенных защитами смежных поврежден
ных элементов вследствие отказа их защит или выключа
телей, на [енераторах устанавливаются специальные
защиты с относительной селективностью, поскольку OCHOB
ные защиты [енераторов от внутренних КЗ выполняются
с абсолютной селективностью. Для обеспечения большей
чувствительности к несимметричным КЗ они обычно име-
ют отдельные части (ступени) в виде токовых защит с не-
зависимой характеристикой t==f(I2), включаемых на co
ставляющие 12, причем число ступеней бывает различным.
При выполнении таких защит учитывается следующее:
1) желательно обеспечить действие защиты на отклю-
чение во всем диапазоне возможных значений опасных TO
ков обратной последовательности. Допускается действие
на сиrнал при малых значениях 12, коrда в соответствии
с (12.1) t доп оказывается достаточным (несколько минут)
для принятия мер дежурным персоналом по ликвидации
несимметричноrо режима;
2) допускается не соrласовывать по чувствительности
части защиты, действующие при небольших 12 (обуслов
ленных, например, ненормальными режимами), с защита
ми смежных элементов;
3) время срабатывания t с ,з==f(I2) ступенчатой защиты
*
должно быть меньше t доп , определяемоrо (12.1);
382
4) трудности соrласования по времени или чувстви
тельности ступеней защиты, действующих при значитель-
ных токах, с резервными защитами смежных элементов.
На блочных [енераторах применяется защита, имею-
щая opraH с интеrрально-зависимой характеристикой со-
ответствующей выражению (12.1). в этом случае б лее
полно используется переrрузочная способность [енераторов
в несимметричных режимах. Части защиты снезависимой
(ступенчатой) и зависимой характеристиками действуют,
как правило, на отключение и rашение поля.
Симметричные сверхтоки. Под симметричными сверх-
токами понимаются токи, превышающие номинальные
значения токов [енераторов, работающих в симметричном
режиме. Они определяются внешними К(З) и переrрузками.
Их опасность для [енераторов в отличие от несимметрич
ных сверхтоков определяется прежде Bcero возможностью
недопустимых переrревов изоляции обмоток статора и ро-
тора, которые MorYT приводить не только к преждевремен-
ному износу изоляции, но и к ее разрушению, возникнове-
нию КЗ или замыканий на землю. К(З) у линейных BЫBO
дов машин определяют также большие электромаrнитные
моменты на валу [енераторов, возможность которых хотя
и учитывается при выполнении машин, но иноrда приво-
дит у некоторых типов мощных машин к тяжелым послед-
ствиям.
Для ликвидации внешних К(3}, не отключенных друrи
ми защитами системы, предусматриваются токовые защи-
ты с дополнительным opraHoM напряжения (см. rл. 5),
имеющим независимую характеристику выдержки време-
ни, или дистанционные защиты в упрощенном исполнении.
Симметричные переrрузки возникают, например, при
ОТКJlючении источников питания, форсировке возбужде-
ния при понижении напряжения и т. п. Максимальная пе
реrрузка активной мощностью оrраничивается мощностью,
которую MorYT развивать первичные двиrатели, и часто
для турбоrенераторов бывает весьма небольшой. Пере-
rрузка реактивной мощностью, определяемая потолочным
возбуждением [енератора и напряжением на шинах при
форсировке в збуждения может быть значительной. Пере
rр?,зки полнои мощностью достиrают по току статора
2 2,5 lиом,r. . Соответственно переrружаются и обмотки
возбуждения, хотя однозначной зависимости здесь нет.
Переrрузочные способности характеризуются зависимо
стями tдоп==f(k), [де k кратности тока статора или ро-
383
тора. Они даются заводами поставщиками [енераторов.
Для статора обычно используется токовая защита в oд
ной фазе, отстроенная от Iиом,r И действующая на сиrнал.
Для ротора, ток в обмотке KOToporo часто является опре
деляющим допустимую переrрузку [енератора в целом,
при меняют специальную, более сложную защиту. Она
выполняется реаrирующей на повышение напряжения (на
обмотке возбуждения) или д.lIЯ более мощных машин
на ток ротора I poT . В последнем случае принимают t дол ==
== А/(IРот В)2,rде А постоянная, характеризующая
*
выполнение машин [имеет друrой смысл, чем А в выраже
нии (12.1)], а В коэффициент, определяющий форму
переrрузочной характеристики. Защиты действуют с мень-
шей выдержкой времени на развозбуждение, с несколько
большей на rашение поля и отключение. Необходимо
отметить, что у современных реrуляторов возбуждения
[енераторов предусматриваются устройства, оrраничива-
ющие форсировку возбуждения, которые таким образом
косвенно выполняют защиту [енераторов от больших сим-
метричных переrрузок.
напряжения, реаrирующими на третьи rармоники нулевой
последовательности, содержащиеся в фазных напряжениях
[енераторов. Вторая защита в сочетании с первой обеспе-
чивает 100 % 'Ный охват витков статорной обмотки. Защи
ты от внешних КЗ и переrрузок выполняются токовыми,
ИМеющими весьма разные выполнения, или дистанци-
онными. Специфическое исполнение имеют защиты от по
вреждений в цепях возбуждения.
12.3. ТИПЫ ПРИМЕНЯЕМЫХ ЗАЩИТ
От внутренних мноrофазных КЗ широко используются
продолЬные дифференциальные токовые защиты. Для [e
нераторов очень малой мощности допускается взамен
дифференциальных применение максимальных токовых
защит без выдержки времени, включаемых со стороны
выключателя (при наличии в системе друrих источников
питания); для защиты от внешних КЗ в последнем случае
должна предусматриваться вторая защита с выдержкой
времени. Для защиты от витковых КЗ, если это возможно,
предусматриваются односистемные дифференциальные
токовые защиты. Защиты от к<зl)выполняются различно
в зависимости от схемы включения [енератора в систему.
Защиты [енераторов, работающих на шины, до последне
[о времени выполнялись реаrирующими на установившие
ся токи нулевой последовательности с использованием
специальных Т А нулевой последовательности. В настоя
щее время переходят на друrое исполнение без ТА
нулевой последовательности и реаrированием на высшие
rармоники, содержавшиеся в токах фаз. Блочные [eHepa
торы снабжаются защитами напряжения нулевой последо-
вательности основной частоты в сочетании с защитами
12.4. ПРОДОЛЬНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
Выполнение. Совмещенные структурные трехфазные
схемы защиты в обобщенном виде представлены на рис.
12.5. На рис. 12.5, а дан вариант с использованием в ИО
торможения от токов плеч, на рис. 12.5, 6 при включе
нии ИО только на токи в дифференциальной цепи. В защи
щаемую зону для [енераторов, работающих, например,
на шины reHepaTopHoro напряжения (рис. 12.5), включа-
ются обычно и токопроводы, соединяющие ero с выключа-
телем; Т А защиты соединяются между собои у места уста-
новки ИО. Заземление вторичных 'цепей для уменьшения
разноrо рода помех осуществляется в одной точке у ИО.
Защиты обычно выполняются трехфазными (с Т А в трех
фазах), с тем чтобы обеспечить их срабатывание и .при
K(l,l), коrда одно из мест пробоя находится вне защищае-
дв
мой зоны. Этим обеспечивается быстрое отключение по-
врежденноrо reHepaTopa при любых мноrофазных КЗ.
Двухфазное выполнение допускается для reHepaTopoB не-
большой мощности, если их защиты от K l) имеют быст
родействующую приставку, реаrирующую на Ki ,l) (см., на-
пример, 12.12).
В настоящее время в мировой и отечественной практи
ке считается целесообразным иметь высокую чувствитель-
ность схемы защиты. Это может быть достиrнуто, напри-
Мер, выполнением ИО с торможением от токов плеч (рис.
12.5, а) и специальной отстройкой от переходных затухаю-
щих значений токов небаланса. До последнеrо времени в
Советском Союзе для TaKoro варианта использовались
электромеханические реле с маrнитным торможением,
разработанные в НПИ (см. rл. 8). В промышленном ис-
полнении они имеют первичный ток срабатывания 0,1-7-
0,2I иом ,r И необходимые коэффициенты торможения [69];
при этом не учитывается возможность ложноrо сраба-
тывания защиты при разрыве цепей вспомоrательных
384
25 855
385
проводов, который В пределах здания станции весьма мало
вероятен. Цепь обмотки торможения целесообразно вклю
чать на Т А СО стороны линейных выводов [енератора для
исключения торможения при внутренних К3 в случае OT
сутствия подпитки со стороны системы.
Во втором исполнении (рис. 12.5, б) в дифференциаль
ную цепь uвключается реле, имеющее промежуточный на-
сыщающиися трансформатор тока усиленноrо действия
11
новная отстройка от последних возлаrается на применен-
ный в схеме ИО с TALT [69].
Условия работы Т ALT являются весьма сложными.
Наrлядные соотношения получаются при rрафическом рас-
смотрении явлений с использованием петли rистерезиса
сердечника Т ALT и изменения MrHoBeHHbIx токов во BpeMe
ни. Рассматриваются два случая: К3 в защищаемой зоне
с током в дифференциальной цепи f K , равным току сраба-
тывания защиты (рис. 12.5, в); внешнее К3 (рис. 12.5, с).
В первом случае после затухания апериодической сла-
rающей ток i K оказывается почти не смещенным. Маrнит-
ная индукция колеблется в широких пределах от Ве
до Ве. Предполаrая, что opraH КА реаrирует на среднее
значение ЭДС в TALT, получаем, что ero работа опреде-
ляется указанными изменениями В (ЭДС e ==. dBjdt), а
Бередн ==. 4 Ве; Т ALT работает в этих условиях, как обыч-
ный ТА, посылая в реле ток ie,p. При токах fк>fе,з защи-
та четко работает, так как изменение индукции за период
оказывается еще б6льшим. Получающееся замедление
действия защиты за счет наличия в начале процесса апе-
риодической слаrающей в i K и вызванноrо ею кратковре-
MeHHoro насыщения Т ALT обычно 30 40 мс.
Во втором случае при полностью смещенном токе iнб
и насыщении сердечника Т ALT индукция изменяется толь-
ко в узких пределах от +В нае до В, в частности до оста-
точной индукции Воет, если MrHoBeHHble значения iнб сни-
жаются до нуля. Так, например, при колебаниях индукции
от + Ннае до + Воет она за период только дважды изменя-
ется на BHae BoeT и, следовательно, определяет ЭДС, про-
порциональную 2 (BHae BoeT)' Для обеспечения правиль
Horo функционирования защиты при рассматриваемых
внешних К3 необходимо иметь Bc>0,5(HHae BoeT)'
Следует, однако, учитывать, что в начальный момент
внешних К3 в реле может кратковременно возникать
большой бросок тока, обусловленный остаточной индукци-
ей в сердечнике Т ALT (если апериодическая слаrающая
iнб вызывает поток, по знаку противоположный Воет). Ok
нако он существует кратковременно (примерно не более
0,02 с) и поэтому не отражается на работе большинства
защит. При наличии отрицательной остаточной индукции
за первый период однополярноrо тока Бередн==Вост+
+Ннае+ (BHac BoeT) ==2В нае . Следовательно, для преду-
преждения неправильных срабатываний особо быстродей-
ствующих реле необходимо выбирать В е >0,5 В нае .
t 't
б)
t
'с)
а)
Рис. 12.5. Варианты совмещенных трехфазных схем продольных Ф
ференциальных токовых защит ДИ .
(также разработанное НПИ, см. rл. 8), иноrда последова-
тельно с резистором R, имеющим относительно небольшое
сопротивление (5 10 Ом). Предложение об использова
нии TaKoro сопротивления, сделанное в свое время лабо-
раторией им. А. А. Смурова, обеспечивает выравнивание
расчетных наrрузок Т А схемы (разrружает менее мощный
т А и доrружает более u мощный)u и способствует некоторой
(не очень эффективнои) отстроике от переходных iнб. Ос-
386
25*
387
Для обеспечения насыщения Т ALT под воздействием
переходноrо iнб при внешних КЗ индукцию при срабаты
вании Вс целесообразно выбирать достаточно большой,
близкой к началу насыщения. Вместе с тем для надежной
работы реле при внутренних КЗ необходимо иметь запас
по току в ero обмотке при l к >l с ,з. Поэтому обычно счита
ется, что отношение BclBHac должно обеспечивать lr»пaxl
lc,p 1,4.
Использование Т ALT уси.ценноrо действия. Защита с Ha
сыщающимися трансформаторами тока заrрубляется при
внешних КЗ тем меньше, чем симметричнее кривая i нб OT
носитель.но оси времени; поэтому заrрубление при пере
ходных tнб иноrда получается недостаточным. Для увели
чения этоrо заrрубления были предложены в НПИ
(А. Д. Дроздовым) и используются насыщающиеся TpaHC
форматоры тока усилеННО20 действия. Принципиальная
схема их выполнения с присоединением реле тока показа
на на рис. 12.5, д. Насыщающийся трансформатор тока
имеет трехстержневой маrнитопровод. На среднем стерж
не расположена первичная обмотка с числом витков ШраG,
включаемая в дифференциальную цепь. Вторичная обмот-
ка с числом витков Ш в , питающая реле, находится на пра
вом стержне. Дополнительная короткозамкнутая обмотка,
спользуемая для улучшенной отстройки от переходных
tпб, состоит из двух катушек, находящихся на среднем и
левом стержнях и соединенных между собой так, чтобы
направления потоков Ф п И Ф Ш б В П р авом сте р жне COB
w ра
падали. к
При КЗ в защищаемой зоне периодическая слаrающая
тока 1 в обмотке Wраб трансформируется в витки Ш и
замыкается через витки ш:. Можно считать, что апериоди
ческа я слаrающая не трансформируется. Поток в правом
сердечнике приблизительно определяется током и витками
ш;, так как потоки Ф1<: и Ф шраu направлены встречно. По
к
этому влияние апериодической слаrающей 1 на чувстви
тельность реле существенно снижено и может проявиться
в некотором замедлении срабатывания, обусловленном Ha
сыщением сердечника этой слаrающей ( .
к
При внешних КЗ ток в обмотке Шраб мал по сравнению
с первым случаем, апериодическая слаrающая i Нб практи
чески не трансформируется в обмотку ш; и только yxyд
шает за счет насыщения маrнитопровода трансформацию
388
Е нее и вторичную обмотку Ш В периодической слаrающей
iпб. Таким образом, сильно ослабляется трансформация
части периодической слю'ающей iнб, претерпевающей двой
ную трансформацию.
Выбор l с ,з обычно производят с учетом следующеrо.
Трансформаторы тока имеют одинаковые (отрицательные)
поrрешности в токе Б, характеризующие их токи намаrни
чивания. Поэтому относительная поrрешность в трансфор
мации двух ТА одной фазы защиты, соответствующая reo
метрической сумме намаrничивающих токов (практически
арифметической разности), должна быть меньше поrреш
ности одноrо ТА. Это снижение характеризуется коэф
фициентом однотипности k одн < 1 (обычно kодн == 0,5...;.- 1) ,
учитывающим однотипность Т А, условия их наrрузки и
работы.
Коэффициентом апериодичности k апер > 1 (за счет ис
пользования Т ALT значительно меньшим, чем в схемах
без Т ALT) учитывается переходНЫЙ режим еще не отклю
ченноrо внешнеrо КЗ. С учетом этих соображений полу
чаем lс,з==kотсlнбmахрасч,п==kотсkаперkоднБlвнmахрасч. При этом
В значении k OTC следует учитывать, что определенный при
веденным выражением первичный ток небаланса несколь
ко меньше действительноrо, как и в схемах нулевой по
следовательности (см. r л. 3). Ток 1 вн тах расч определяется
б6льшим из дв у х токов 1(3) Х или У р авнительным
к,ВН та
током lуртах при сильных качаниях, коrда l урт ах может
быть больше п H таХ (см. rл. 1).
По току l с ,з определяется ток срабатывания устройства
TALT реле: l с ,з,в==l с ,эIКI. Необходимо отметить, что BBeдe
вие коэффициентов k одн и в особенности k апер только под
черкивает необходимость учета сложных явлений. Поэто
му часто рекомендуемые для них однозначные значения
свидетельствуют об отсутствии необходимых уточненных
данных.
Ток 1 с,З,В реrулируется изменением числа витков пер
вичной обмотки Т ALT. Использование для реrулирования
1 с ,з,в собственно реле недопустимо, так как оно приводило
бы к изменению индукции срабатывания Т ALT, которая
должна оставаться неизменной.
Коэффициент чувствительности определяется отноше-
нием 1 к mitl В защищаемой зоне к 1 с,з.
Иноrда применяется еще дополнительный kч,доп, опре-
деляемый отношением 1 р mitl при 1 к mitl К 1 с,р. Для Hero с
389
учетом соображений, изложенных при выборе индукции
Ве, получаются значения, не превосходящие 1,4.
Достоинствами способа являются простота исполнения
и удовлетворительная для ряда случаев отстройка от пе
реходных iнб, сдвинутых по одну сторону оси времени. Ero
недостатки: отсутствие заrрубления защиты при периоди
ческих i нб и малое заrрубление при небольших смещениях
i нб с сохранением полуволн oppaTHoro знака; некоторое за
медление срабатывания, опр'еделяемое наличием в токе
BHYTpeHHero к.з апериодической слаrающей.
В рассматриваемой схеме получающиеся токи сраба
тывания равны примерно 0,5-+-
0,6 Iиом,r, что не отвечает COBpe
менным требованиям. Поэтому
защита допускается к примене-
нию на reHepaTopax небольшоЙ
мощности с косвенным охлажде
нием проводников обмоток.
В связи с переходом промыш
ленности на более современные
элементные базы в настоящее
время рассматриваются друrие
пути осуществления унифициро
ванных чувствительных диффе
ренциальных защит: использова
ние защит с торможением на BЫ
прямленных токах по схемам, по
добным рассмотренной в rл. 11,
схемы со сравнением MrHoBeHHbIx
значений токов в первые доли по
лупериода, Kor да Т А еще не начинают насыщаться, и т. д.
Заслуживают внимания схемы с очень большими сопротив
лениями в дифференциальной цепи (см. rл. 8), которые
нашли широкое применение в зарубежной практике.
3ащитоспособностъ при мноrофазных К3 и общая oцeH
ка. Защитоспособность для машин оценивается долей ox
ваченных витков при Rп===О (см. rл. 1). Для этоrо на
рис. 12.6 с использованием соотношений рис. 12.2, б пост
роены зависимости токов в защите I KIX при ВНутренних
мноrофазных к.з (кривая 1 для Rп === о и кривая 2 для
Rп=i=О) одиночно работающеrо двухполюсноrо турбоrене
ратора и токов срабатывания защит соответственно с TOp
можением (прямая 3) по рис. 12.5, а и без торможения
(прямая 4) по рис. 12.5, б от доли замкнувшихся витков
/з)
к«
[с 3 Iо
I ,
Рис. 12.6. Защитоспособ
ность продольной диффе-
ренциальной токовой защи
ты
390
а;. Защита с торможением работает с Iе,з тiп, так как TOp
мозная система питается от Т А линейных выводов reHe
ратора, через которые I K не проходит. Для обеих раЗНОВИk
ностей защиты I Ka при любых а значительно больше Iе,з.
Таким образом, для рассматриваемых reHepaTopoB обесПе
чивается 100 % ная защитоспособность. Для мноrополюс
ных машин соотношения, как указывалось выше, получа
ются более сложными, I KIX MorYT быть значительно MeHЬ
шнми. Однако можно полаrать, что во всех случаях будет
обеспечиваться 100 % ная защитоспособность. При Rп=i=О
теоретически возможно наличие мертвой зоны, однако
практически она весьма маловероятна. Для оц:нки защи
ты необходимо учитывать, что по принципу деиствия она
не реаrирует на K 1) , так как при них токи в начале и
конце каждой фазы, изменяясь по значению, остаются
одинаковыми. При К(1) защита не срабатывает, так как
за u u (1)
при принятом режиме заземления неитралеи токи I за со-
вершенно для этоrо недостаточны. Таким образом, защита
реаrирует только на внутренние мноrофазные к.з. В оте-
чественной практике она рекомендуется для всех reHepa-
торов мощностью более 1 МВт. От друrих видов повреж
дений и ненормальных режимов должны устанавливаться
отдельные защиты.
12.5. СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВИТКОВЫХ КЗ
Существует несколько способов выполнения защиты.
Так, например, в немецкой практике с 30 x rодов применя-
лась защита со специальным дросселем, включаемым на
'
о)
а)
Рис. 12.7. Варианты защиты от витковых замыканий обмотки статора
без параллельных ветвей с использованием трехфазноrо дросселя
391
зажимы статорной обмотки (рис. 12.7). Искусственная HY
левая точка, создаваемая дросселем, соединяется с нейт
ралью тенератора. Измерительный ортан реаrирует на
ток, определяемый разностью потенциалов в указанных
точках (рис. 12.7, а), или соответствующий ему ток во
вторичной обмотке дросселя (рис. 12.7, б); для отстройки
от rармоник нулевой последовательности, кратных трем,
он включается через соответствующий фильтр. При HOp
мальной работе напряжения на нейтрали тенератора и ис
кусственно созданной' нулевой
точке равны между собой и
потенциалу земли и защита не
может срабатывать. В С.'1учае
K !) равновесие нарушается и
защита срабатывает.
В 30 e тоды лабораторией
им. А. А. Смурова была преk
ложена направленная защита
обратной последовательности,
ИО которой включаются на
составляющие 12 и и 2 на BЫ
водах статорной обмотки. При
. этом используется тот факт,
что знак мощности обратной
последовательности зависит от
тото, rде возникла несимметрия
в тенераторе (при K !) )
или в сети (например, при несимметрйчном К,3).
Указанные защиты в Советском Союзе применения не
получили в связи с на,lичием у них мертвых зон, HeKOTO
рых друrих недостатков, а также в связи с тем, что мощ
ные машины начали выпускать с обмотками, имеющими
параллельные ветви, дающие ВОзможность установки H(I
них поперечных дифференциальных токовых защит. Необ
ходим о, однако, отметить, что в последние тоды по новым
ра работкам ЛПИ были Выполнены образцы направлен
нои защиты обратной последовательности, включенные i3
эксплуатацию.
Поперечная дифференциальная защита первоначально
выполнялась трехсистемной (рис. 12.8). Во второй полови
не 30 x тодов в ТЭП u (А. А. Фильштинским) был предло-
жен ее односистемныи, более эффективный вариант быст
ро получивший общее признание. Он более подроб о рас-
На IlbIxo8Hoe промеЖ!f
mO'fHOe реле
Рис. 12.8. Трехснстемная по-
перечная днфференциальная
токовая защита
392
сматривается в 12.6. Ето прототипом можно считать
витковую защиту сдвоенных тенераторов со своеобразной
турбиной Uпgstrеm (Швеция). (1)
Предлаrалось также использование для защиты от КВ
переменных токов, наводимых в обмотке возбуждения, с
частотами, характерными для этоrо вида повреждения.
Однако, как выяснилось, получавшиеся схемы были нера-
ботоспособны.
12.6. оДНОСИСТЕМНАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬhАЯ
ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
Выполнение. Совмещенная структурная схема защиты
представлена на рис. 12.9. Измерительный ортан тока че-
рез фильтр тока основной частоты присоединяется к ТА,
включенному в цепь между нейтра.'IЯМИ, образованными co
единением в две звезды отдельно взятых параллельных вет-
вей статорной обмотки. Фильтр используется для отстрой-
ки защиты от высших rармоник нулевой последовательно-
сти, кратных трем. Они определяются несинусоидальностью
индукции в воздушном зазоре машины. Третьи rармоники
в ЭДС кратковременно появляются также при внешних не-
Рис. 12.9. ОДlIосистемная поперечная дифференциальная токовая защита
393
симметричных КЗ, например Ю 2 ), и обусловливаются со-
ставляющими токов обратной последовательности. Однако
они не имеют составляющих нулевой последовательности и
поэтому на рассматриваемую защиту влияния не оказы-
вают.
Работа схемы и ее оценка. Работа схемы при разных
видах K ]) поясняется прохождением токов повреждения на
рис. 12.10. При замыкании между витками одной ветви (рис.
12.10, а) через защиту проходит ток I п незакороченной час-
ти фазы. С уменьшением доли замкнувшихся витков сх вет-
ви ток I п также уменьшается; поэтому защита имеет мерт-
пока отсутствует. Известно, что он возрастает с увеличением
1 раб, r. Однако ero зависимость от I K , аН изучена недоста-
точно. По опытным данным для турбоrенераторов прини
мают I с ,з::::::: 0,2 + О,З/ном,r. Для rидроrенераторов MorYT тре-
боваться б6льшие I с ,з. В связи С этим следует обратить вни-
мание на то, что для повышения чувствительности защиты
не применяются те или друrие виды торможения при внеш-
них КЗ.
Схема широко используется в качестве основной защи-
ты от K 1) и резервной от мноrофазных КЗ.
А
А
lJ
с
12.7. ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Защиты от K l) выполняются по-разному для reHepa-
торов, работающих в блоке с трансформаторами (авто-
трансформаторами) (рис. 12.1, б), и для reHepaTopoB, ра-
ботающих непосредственно на сборные шины (рис. 12.1,а)
или в блоках, но связанных с потребителями H [енератор-
ном напряжении (рис. 12.1, в). Защиты от K ) блочных
reHepaTopoB можно осуществлять более простыми и техни-
чески совершенными. Это определяется тем, что eHepaTOpы
блоков rальванически отделены от остальнои системы
трансформаторными связями. Поэт му возможно использо-
вать для осуществления селективнои (при внешнr:х повреж-
дениях) защиты, например, напряжения нулево последо-
вательности или наложенные токи с более простои реализа-
цией.
Значительно более сложно осуществлять защиты reHepa-
торов, связанных с остальной системой на reHepaTopHoM на-
пряжении. Для действия защиты в этом случае не1] ЗЯ ис-
ПО.lьзовать напряжения и о , возникающие при К з ' так
как они имеют практически одинаковые значения в любоЙ
точке системы reHepaTopHoro напряжения. Поэтому часто
приходится ориентироваться на весьма небольшие токи 10,
ПОЯВЛЯЮЩиеся на выводах поврежденноrо reHepaTopa. Для
осvществления таких защит применяются мноrие из прин-
ци'пов, рассмотренных в rл. 10 применительно к защитам
линий в сетях с U ном ::;:;;;З5 кВ. Однако выполнение защит на
этих принципах для reHepaTopoB оказывается задачей зна-
чительно более сложной в связи с тем, что reHepaTopbI
обычно имеют большие МОЩНОСТII и соединяются с выклю-
чателем пучками кабелей или чаще шинопроводами (труд.:
ности в осуществлении полноценных фильтров тока нулевои
395
13 = lп
fL)
Jз = 1 I
а)
1=1 1 =1 I
-3 -IA -J/B IB -ПА
8)
h=lIA B= IB 'A
Е)
Рис. 12.10. Действие поперечной дифференциальной токовой защиты
при различных видах витковых (а и б) и междуфазных (в, ) К3
вую зону. При замыкании между ветвями одной фазы (рис.
12.10, б) через защиту проходит ток 13==/1 со стороны ней-
трали в поврежденной фазе. В случае пробоев, равноотсто-
ящих от нейтрали (СХ2==СХ4) и поэтому имеющих одинако-
вые потенциалы, ток 13==0 и защита не работает, имеет
мертвую зону; однако при малых СХ2 и СХ4 уже небольшая их
разница может обусловить значительные 13.
Как показывают соотношения, приведенные на рис.
12.10, в и с, защита реаrирует также на междуфазные КЗ,
но, как и при K 1) , имеет мертвые зоны. .
При нормальной работе и внешних КЗ в ИО защиты,
как и в ИО друrих дифференциальных токовых защит, про-
ходит только ток I нб . Однако в ее односистемном исполне-
нии он определяется в основном rармониками нулевой
последовательности, которые частично, за счет несовершен-
ства фильтра, проходят в ИО. Ток Iс,з==kотс/нб тах п. Анали-
тическое, хотя бы приблизительное, определение тока IlIб
394
пас.'Iедавательнасти), а также с тем, что. к защитам предъ-
являются балее высакие требавания (например, ахват па
вазмажнасти 100 % виткав статарнай абматки).
Релейщиками CaBeTcKara Саюза на всех этапах разви-
тия у нас техники защиты уделялась бальшае внимание за-
щитам ат К ]) [енератарав, и были дастиrнуты впечатля-
ющие результаты. Первым, еще в 1929 [., была апублика-
вана критическае исследава ие А.Б.Чернина,паказавшеrа
несавершенства защиты, паставлявшейся аднай из извест-
ных еврапейских фирм. Далее паявились палезные исследа-
вания Н. Ф. Марrалина и Н. И. Шиферсана, рабаты
СРЗиУ ТЭП и ряда друrих арrанизаций. Осаба следует ат-
метить рабаты паслеваенных лет ИЭД АН УССР (И. М. Си-
рата), саздавшеrа такавую защиту мащных [енератарав, ра-
батающих на шины, с испальзаванием ТА нулевай пасле-
давательнасти с падмаrничиванием, и рабаты ВНИИЭ
(В. М. Кискачи) па асуществлению защит блачных [енера-
Tapal;J са 100 % -ным ахватам витка в абматки без саздания
искусственнаrа смещения напряжения нейтрали, как эта
асуществлялась аднай из еврапейских фирм. Заслуживает
также внимания навая разрабатка ВНИИЭ (Tara же авто.-
ра) па сазданию защиты [енератарав, связанных с систе-
май на [енератарнам напряжении, аснаваннай не на ис-
пальзавании такав нулевай пас.rrедавательнасти, а на срав-
нении rарманик устанавившеrася режима в паврежденнай
и непаврежденнай фазах машины [57]. Есть аснавания па-
лаrать, что. ана смажет палнаценна заменить указанную
выше защиту ИЭД АН УССР.
ДЛЯ [енератарав, рабатающих на шины, принципиальна
мажет также применяться направленная защита нулевоЙ
паследавательнасти, реаrирующая на перехадные слаrаю-
ЩИе высших rармоник, существующих в начальные мамен-
ты прабоев на землю (см. rл. 10). Впервые такая защита
была асуществлена па разработке кафедры РЗиА МЭИ
(В. М. Маранчаком и др.) в начале 50-х [адов для двух rид-
pareHepaTapaB, рабатающих параллельна на [енератарнам
напряжении на абщиЙ павышающий трансформатор (;-ця
действия защиты бы.'] дастатачен емкастный так неповреж-
деннаrа [енератара). Такие же па принципу защиты были
детальна разрабатаны в ЭНИН (И. Н. Паповым и др.)
[59] и испальзуются на практике на rидроrенератарах.
Представляется, что. навая защита ВНИИЭ [57] мажет
аказаться приrаднай практически для .']юбых схем вклю-
чения [енератарав.
396
Защиты с наложенным такам MarYT асуществляться с
испальзаванием для этаrо как пастаяннаrа, так и перемен-
Hara така непрамышленнай частаты. Такие защиты разра-
батывались в Саветскам Саюзе в ТПИ, ИЭД АН УССР и в
некатарых энерrасистемах, а также за рубежам (см., напри-
мер, [10, 65]) и испальзуются инаrда на практике (напри-
мер, в Кемеравэнерrа). Они MarYT применяться также как
технолаrические устрайства кантраля изаляции статарных
об маток. Однако. как защиты ат прабаев изаляции ани ши-
ракorа распрастранения не палучи.'IИ.
12.8. МАКСИМАЛЬНАЯ ЗАЩИТА НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОй
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОй ЧАСТОТЫ
Выполнение. Савмещенная структурная схема защиты
от K J) приведена на рис. 12.11. Она выпалняется с испаль-
зованием ИО напряжения, ВК.lюченнаrа на напряжение ну-
.1евай паследавательности. ФИ.'Iьтром напряжеuния являются
однафа"зный TV, через катарый заземляется неитрuаль абмат-
ки (рис. 12.11, а), или саединенные в разамкнутыи треуrаль-
ник обмотки, например, пятистержневаrа TV, включеннаrа
на вывады [енератора (рис. 12.11, б). Для периадическоrа
кантроля напряжения на I;I0 и ариентиравачнаrа апределе:
ния места вазникшеrо K ) применяется чувствительныи
вальтметр, включаемый персаналом кнопк й. Для атстрай-
ки от ваздействия высших rарманик нулевои паследаватель-
ности необходима иметь фильтр рабачей частаты. Па прин-
ципу действия защита не нуждается в выдержке времени,
если надлежащим абразам атстраена ат ваздействия U Or ,
паявляющеrася при К(1), К(1,!) или K !) В сети высшеrа на-
пряжения за счет наличия емкастнай связи Ст. мо между
обматками трансфарматара или автатрансфарматара (рис.
12.11,8).
Работа схемы и ее оценка. Значение напряжения и ос
апределяется из схемы замещения (рис. 12.11, с), если пре-
небречь активнай правадимастью на землю TV; Uor==kp
ХС т , мои ов / (Ст,мо+С ос ), [де иов напряжение нулеваи
паследавательнасти са стараны высшеrа напряжения при
павреждении на землю с era стараны; kp 1 каэффици-
ент, учитывающий распределение иов вдаль абматки выс-
шеrа иапряжения; COr емкасть фазы системы [енератар-
Hara напряжения (в аснавнам абматки [енератара) па ат-
нашению к земле. Обычна С т , Mo Cor И и ос не превасхадит
.397
На сиzнал или
отКЛЮllение
На сиzнал или
отключение
+---1' +Jt-...., t
KV
а) о)
f Еl Uurтax
+ (/О8
[Т,МО U orтu )( = сопS't
Е',,м. ос
[or U or
II
HI' I[or
6) l' 2) -:" iJ )
Рис. 12.11. Защита напряжения нулевой последовательности обмотки
статора reHepaTopa:
а присоединяется к однофазному трансформатору напряжения; б присоеди-
няется к трансФорматору напряжения, установленному на выводах машины; 8
схема замещения блока в однофазном нзображении; Z схеМа замещения иуле-
вой последовательности; д распределение напряжения нулевой последователь-
ности вдоль обмотки статора ,енератора при замыкании на землю за траисфор-
матором
нескольких процентов фазноrо рабочеrо напряжения. На-
пряжение срабатывания схемы фильтр ИО дЛЯ выпол-
нения защиты без выдержки времени должно быть отстро-
ено от совокупноrо воздеЙствия напряжения И Or И доли
rармоник нулевой последовательности (в основном треть-
ей), неполнос тью подавле нных специальным фильтром:
И с ,з===k отс V И6r + (k ф ИОЗУ, [де k OTC > 1 учитывает вредные
переходные процессы, возникающие при появлении внеш-
них повреждений на землю, а коэффициент k ф «l. При K
напряжение, подводимое к схеме фильтр ИО, ИШ
===аЕ ф . Поэтому при повреждении вблизи нейтрали [ене-
398
Ьатора защита не срабатывает, имеет мертвую зону, ее
защитоспособность (l ax) < 100 % витков, [де ах доля
незащищенных витков. Часто ax 15 %. Для увеличения
защитоспособности, уменьшения ах, а также улучшения
отстройки от внешних повреждений на землю возможны два
способа. ПО первому из них, возможному для систем выс-
шеrо напряжения с rлухозаземленными нейтралями, защи-
та выполняется с выдержкой времени, большей максималь-
ных времен ликвидации К3 К(1) и Ю!,1) в этих системах.
Тоrда И Оr в выражении для Ис,з не учитывается. Способ в
настоящее время, как правило, не используется, так как рез-
ко снижает эффективность защиты при возникновении K !) .
сочетающеrося с K l) . ПО второму способу защита при
vказанных Юl) и К(1,!) автоматически выводится из дейст-
ия дополнительным ИО, включаемым на ток I Ko , получае
мый через Т А в цепи заземления нейтрали трансформатора,
или на напряжение И 2 на зажимах [енератора; последний
вариант хуже, так как может нарушить действие защиты
при K !) , сочетающемся с К2) . С учетом изложенноrо,
применения обоих указанных способов следует избеrать.
Это тем более целесообразно, если [енератор имеет еще
вторую защиту от K ]) ,предназначенную для действия при
повреждениях у нейтрали.
Защита проста по выполнению. Она устанавливается на
всех [енераторах, работающих в блоках. Для мощных [ене-
раторов, особенно с непосредственным охлаждением про-
Водников обмоток, для получения 100 % -ной защитоспособ-
ности ее сочетают с дополнительными защитами, обычно
ИСПользующими высшие rармоники нулевой последователь-
ности.
12.9. ЗАЩИТЫ ОТ K l), ОСНОВАННЫЕ НА СРАВНЕНИИ rАРМОНИ!<
НУЛЕВОй ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ
НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬЮ ЭДС rEHEPAТOPOB
Использование rармоник, обусловленных несинусои
дальностью ЭДС. Как уже указывалось выше, маrнитная
Индукция в воздушном зазоре бывает не вполне синусои-
дальна. Соответственно несинусоидальны и ЭДС [енерато-
ров. В них содержатся rармоники тройной частоты, пред-
стаВляющие состаВляющие нулевой последовательности, от
Воздействия которых, например, односистемные поперечные
дифференциальные защиты, реаrирующие на K l) (см.
399
12.6), или защиты максимально1'О напряжения нулевой
последовательности от K I) (см. 12.8) должны отстраи
ваться.
На возможность использования указанных rармоник для
осуществления специальных защит от K I} впервые в свое
время указал НеЙ1'ебауер, не предла1'ая выполнения защит.
Возможности использов ния U оз . Такие возможности
выявляются, если учитывать равномерное распределение
емкостей C or фаз обмотки по отношению к земле и принять
ЭДС третьей rармоники нарастающей пропорционально
"'J( mpallcrpop'
· натОРIJ
o,SC ar Uазв=l{5Еаз
HI'
lJ озв =t оз
.....,....;..
и озв
fD!t
'", HI'
Heumptthb 05 [-
. , or а)
U"озff о,SЕ аз о)
-:- 8)
Рис. 12.12. Расчетная схема (а) и соотношения третьих rармоник на-
пряжений нулевой последовательности (6 и в)
числу витков обмотки. Предпола1'ая в первом приближении,
что проводимости по отношению к земле определяются
только емкостями фаз обмотки (в основном не учитывают
ся проводимости на землю TV), получаем расчетную схему
замещения, приведенную на рис. 12.12, а. ИЗ нее следует,
что при нормальной работе Б оз определяет напряжения на
нейтрали 1'енератора U оз н И на выводах 1'енератора U оз в,
равные по абсолютному значению О,5Б оз и противополож-
ные по знаку (рис. 12.12, б). При возникновении K l} в ней
трали и озн == О, а И озв возрастает до Б оз (рис. 12.12,8).
В общем случае при учете всех проводимостей следует 1'0'
вор.ить лишь об изменении U оз по сравнению с erO значени'
ем при отсутствии замыкания у нейтрали. Непосредственно
использовать указанное изменение для построения защиты
затруднительно 1'лавным образом в связи С тем, что оно мо-
жет существенно изменяться в зависимости от значений На-
400
rрузки reHepaTopa и ее cos <р. Имеются разработки, преодо-
левающие это затруднение. Так, например (Л. Пазманди,
Вен1'РИЯ), llредла1'алось осуществлять защиты, основанные
на сравнении U оз н и U оз в. при этом на1'РУЗКИ на работу cxe
мы не влияют. Защиты, использующие U оз . имеют мертвые
зоны. Это следует из рассмотрения рис. 12.12, б: в средней
части обмотки U оз может быть близко к нулю и при возник-
новении здесь К 1) напряжения U оз н и U оз в остаются не-
изменными. Поэтому рассматриваемые защиты в качестве
единственных от K J) использоваться не Mo1'YT. ИХ назна.
чением является обычно действие при K l} , расположен
ных у нейтрали 1'енератора в зоне, 1'де максимальные защи
ты напряжения (см. 12.8), реа1'ирующие на основную 1'ap
моннку U о, имеют мертвые зоны.
Эффективный вариант защиты, использующий U оз , был
предложен во ВНИИЭ (В. М. К:искачи).
12.10. ЗАЩИТА ОТ K l) БЛОЧНЫХ rEHEPAТOPOB, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ
НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ ЭДС rEHEPATOPOB И ВЫПОЛНЕННАЯ по
РАЗРАБОТКЕ ВНИИЭ
Выполнение. Совмещенная структурная схема защиты
приведена на рис. 12.13. Защита реа1'ирует на отношение
k TOPM I оз н I / (k Раб I оз н+ озв 1). Напряжение на нейтрали
представляет тормозную величину, а сумма U оз н+ и оз в
рабочую. Реа1'ИРУЮЩИЙ ИО направленно1'О деЙствия вклю-
чается через фильтры третьей
1'армоники на TV, установленные
в нейтрали и на выводах 1'енера-
тора. К:оэффициенты трансфор
мации TV выбираются так, что-
бы иметь одинаковые вторичные
напряжения при равных первич
ных (К u н==К u в/3). При нормаль
ной работе U озн + U озв == О (рис.
12.12, б), kto-;"Uозн>О и защита
Не срабатывает. Коэффициенты
k TOPM и kраб выбираются обычно
так, чтобы защита полноценно
работала при повреждении в ча-
сти обмотки со стороны нейтра-
ли, в мертвой зоне максимальной
26 855
Рис. 12.13. Совмещенная
структурная схема защиты
от K I) reHepaTopa блока
по разработке ВНИИЭ
401
защиты напряжения нулевой последовательности и обяза
тельно сочетал ась с последней. Выбор ее параметров рас-
смотрен, например, в [65].
12.11. СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ ОТ K l) rEHEPATOPOB,
РАБОТАЮЩИХ НА ШИНЫ
Использование для заЩИТЫ от K l) напряжений и о
(как для блочных reHepaTopOB), как отмечалось выше, не-
возможно, так как оно одинаково во всей системе reHepa-
TopHoro напряжения. Поэтому до последнеrо времени для
действия защиты использовались токи нулевой последова-
тельности. Имевшиеся в 30-е rодЫ фильтры токов 10 моrли
выдавать небольшие мощности, а электромеханические
реле тока требовали для cBoero срабатывания относитель-
но больших мощностей. В связи, в основном, с этим для за-
щит использовались реле мощности, которые по цепи тока
имели потребление значительно меньшее, чем реле тока
(мощность для их срабатывания получалась и от TV); прин-
ципиально, однако, обеспечить повышения чувствительно
сти реле мощности не моrли. Они моrлИ облеrчить только
отстройку защит от собственных емкостных токов Cor при
внешних K l).
В 50-е rоДЫ появились разработки улучшенных выполне
ний фильтров 10, позже реле тока на новых элементных
базах с ничтожными потреблениями мощности по цепям
тока 10 и в защитах начали при менять только opraHbI тока.
Лучший вариант таких защит, как указывалось выше, был
разработан ИЭД АН УССР (И. М. Сиротой).
12.12. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С ТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ,
ИМЕЮЩИМ ПОДМАrНИЧИВАНИЕ
Выполнение, Совмещенная структурная схема защиты
приведена на рис. 12.14. В своей основе она подобна токовой
защите нулевой последовательности линий (см. r.п. 10) и
СОстоит из Т А нулевой последовательности, устанавливае-
eMoro у выводов reHepaTopa, и измерительноrо реле КА1.
Дополнительными элементами являются: лоrическое (про-
межуточное) реле KL2 с размыкающим контактом, конт-
ролирующим цепь отключения, реле времени КТ3 и реле
тока КА4 КАб, условно представляющие измерительные
реле тока защиты от внешних I<.З. Выдержка времени, со-
здаваемая КТ3, принципиально не требуется и предназна-
402
чена только для лучшей отстройки защиты от переходных
токов 3i or при внешних повреждениях. Реле КА4 КАб со-
вместо с KL2 осуществляют автоматическое выведение
защиты из работы при внешних I<.З (предложено совместно
СРЗиУ ТЭП и Мосэнерrо В. С. I<.ашталевым), которые
MorYT сопровождаться значительными токами небаланса
l н б ТА. Дополнительное более rрубое реле тока КА7 (по
предложению Иркутскэнерrо Б. А. Хомутова) использу-
ется для защиты нулевой последовательности без выдерЖ-
На. 8ЫХОВНО'{2
ЛРОl1е;К!lтОi{
НО/? реле
Рис. 12.14. Совмещенная схема токовой защиты обмотки статора reHe-
ратора с Т А нулевой последовательности с подмаrничиванием
ки времени при K1 1) с одним местом пробоя в обмотке
статора. Оно дает принципиальную возможность двухфаз-
Horo выполнения продольной дифференциальной токовой
защиты (см. Э 12.4). Дополнительная вторичная обмотка
Т А осуществляет подмаrничивание маrнитопровода ТА,
улучшающее ero параметры (увеличивает сопротивление
ветви намаrничивания, а следовательно, и возможность по-
вышения отдаваемой мощности, а также уменьшает lнб).
Особенности выполнения ТА. Ориrинальные и удачные
Т А нулевой последовательности (рис. 12.15) созданы в ИЭД
АН УССР в 50-е rоды (см., например, [60]) для случаев со-
единения reHepaTopa с выключателем пучком трехфазных
кабелей или токопроводами (шинный тип). Они отличают
ся следующим: наличием подмаrничивания маrнитопрово-
да посторонним переменным током, ранее применявшимся
для повышения точности ТА, питающих измерительные при-
26* 403
боры (см., например, [41]), а для защиты предложенным
СРЗиУ ТЭП в 30 e [оды применительно только к трехтранс-
форматорным фильтрам /0; вторичной обмоткой, разделен-
ной на секции, сосредоточенные в определенных оптималь-
ных местах маrнитопровода, состоящеrо из двух шихтован-
ных сердечников прямоуrольной формы. Вторичные обмот-
ки сердечников, обраЗУЮЩl;Iе общую вторичную обмотку,
соединяются последовательно cor ласно. Это сводится к
возможности выполнения (например, для шинных ТА) об-
А В С
Трехtpйзные /(йоелu
(оеаиненан
W B
и
..
"
'"
"'-
й)
о)
Рис. 12.15. Трансформатор тока нулевой последовательности с подмаr-
ничиванием:
а принципиальная схема выполнения; б кабельный тип; в шинный тип
щей обмотки для обоих сердечников. Разделение маrнито
провода на два сердечника определяется условиями под-
маrничивания. Последнее выполняется с использованием
отдельных катушек на каждом сердечнике, соединяемых
последовательно встречно. При этом ЭДС от подмаrни-
чивания во вторичной обмотке оказываются направленными
встречно и принципиально полностью компенсируются.
Практически же приходится учитывать в /нб слаrающую
fнб,подм, определяемую неидентичностью сердечников. Обес
печение подмаrничивания при внутренних K IJ, коrда UФ
и U о MorYT сильно снижаться, достиrается использованием
одноrо из U мф , которые остаются при этом неизменными.
Для получения наибольшеrо эффекта от подмаrничива-
ния необходим правильный выбор создаваемой им индук-
ции в сердечниках. На рис. 12.16, а приведена эквивалент-
ная схема замещения Т А с присоединенной наrрузкой ZH.
Эффективное значение сопротивления ветви намаrничива
404
ния Zнам,эфопределяется по кривой Вт == f (l aM) (рис.
12.16, б). Учитывая, что Ев==В т , получаем Zнам,эф kВт// ам==
==k tg а, rде а уrол наклона прямой, соединяющей начало
координат с точкой на кривой, имеющей ординату Вт. При
отсутствии подмаrничивания и малых / ==3/Ш ТА рабо-
тает с небольшими Вт, имеет небольшие Z' Ф И может
нам,Э
отдавать небольшие мощности. Подмаrничивание перемен-
ным током дает ВОЗможность при том же / иметь большее
Z ам,эф и, следовательно, получать большую мощность.
Режиму с наибольшим Z ам,эф соответствует уrол СХ опт , оп-
ределяемый касательной к кривой Вт. Необходимо отме-
rить, что эффект от подмаrничивания зависит от уrла сдви-
[а 8 между токами подмаrничивания и 3/ б)' Приведенные
соображения относились к случаю, коrда 8 == 90° (270°).
Анализ показывает (см., например, [1]), что при 8==0°
(180°) сопротивлеНие ветви намаrничивания остается рав-
ным Z ам,эФтах только при СХ==СХ опт . При СХ>СХо пт оно рез
ко уменьшается, а при СХ<СХ опт сначала возрастает, а потом
также резко уменьшается (подобно дифференциальной
маrнитной проницаемости). Учитывая изложенное, подмаr-
ничивание выбирают так, чтобы Вт расч была несколько
меньшеЙ, чем определяемая уrлом СХ опт . При электромеха-
нических реле для получения возможно большей мощности
создавали режим ее максимальной отдачи, соответствую-
щий ZH ZHaM, эф, хотя при этом поrрешности fi в токе до-
стиrали примерно 50 %. При ми
кроэлектронной элементной ба-
зе, коrда ZH малы, этот режим не
требуется. .
Выбор пара метров защиты и
ее оценка. Первичный ток сраба-
тывания защиты / С,3 определяет
ся несколькими условиями. Он
должен быть соrласно общим
требованиям меньше или равен
5 А, но не меньше минимальноrо
Рис. 12.16. Схема замещения (а) и rp1!-
фоаналитичес\кое определение Zнам,эФ
(6) трансформатора тока нулевой по-
следов те.1ЫЮСТИ
н
ZH
1"
I
Zнам,Зф
f(
а)
к
Вт
Вт
I
[нам
о)
405
первичноrо тока ЗI Ь), обеспечивающеrо срабатывание ре-
ле КА1. Следует также учитывать необходимость возвра
та КА1 в начальное положение после отключения внешне
ro повреждения.
Расчетным, наиболее тяжелым для последнеrо условия
является, как показал анаJ]ИЗ [1], внешнее К(э 1 ) , например
K 1) (рис. 12.17, а), на которое накладывается внешнее
Ю 2 ) между друrими фазами (соответственно В и С), отклю-
чаемое с выдержкой времени большей, чем у КТ3. При этом
необходимо иметь 1 в,з kотс (3k пер 1 or+1 нб, расч, п), rде 1 Or
установившийся ток, определяемый емкостью COr; k пер >
> 1 коэффициент, учитывающий ero переходное значе
ние; 1 н б, расч, п ток небаланса фильтра 310, определяемый
несимметричным расположением фаз первичной обмотки
относительно вторичной, неидентичностью сердечников ТА
и друrими факторами. При выполнении защиты с блоки-
ровкой (KL2) 1нб,расч,п. определяется током срабатывания
КА4 КАб, равным примерно 1,41 HOM,r. Ток 1 нб, расч, п мо.
жет иметь любую фазу. Принимая наихудшее ero направ-
ление и вводя kв===1в,з/1с,з, получаем для рассматриваемоrо
условия 1 с,з?:::k отс / k B (3k пер 1 Or+ 1 нб, расч, п) .
в проведенном рассмотрении не учитывал ась отстройка
защиты от переходных значений 3i Or при внешних K .l)
Если это условие окажется расчетным, что может быть, на-
пример, при мощных reHepaTopax с большими COr, то часто
осуществляется специальная отстройка от них. Элементар-
ное ее ВЫПОЛIiение, известное с 30 x rодов, применительно
к раосматриваемой защите было реализовано по предложе-
нию К:иевэнерrо. Она осуществляется путем питания ДОПОk
нительной вторичной обмотки, имеющейся на Т А, через кон.
денсатор С от напряжения нулевой последовательности
(рис. 12.17, с). Маrнитодвижущая сила от этой обмотки
выбирается равной и противоположной МДС первичной
обмотки Т А с током 310r при внешних K l) .
Следует отметить, что рассмотренный сrIOсоб компенса
ции 3 1 0r оказывается недостаточно эффективным при дли-
тельных (превышающих выдержку времени, создаваемую
КТ3) внешних перемежающихся дуrовых K l). Представ-
ляется, что наиболее правильным было бы создание компен-
сирующеrо тока, определяемоrо производной duШ /dt, по-
скольку броски тока при внешнем K O iШ ===3СоrduШ /dt;
такой способ применен в некоторых токовых защитах нуле
406
(f)
1 Iз()( 5Iоrrx
А В С
с
-::-
а)
а)
A
В
С
К (z)
8С
А В С
А
8
о)
I/
I I I ол
ТА
и"нр
2)
ЗU О
Рис. 12.17. Расчетные соотношения для защиты от К 1) (а, б, в) ива.
Риаит компенсации ICor защиты по рис. 12.14 (с)
407
вой последовательности, разработанных ВНИИЭ (см. rл.
10). .
Защитоспособность защиты оценивается долеи защи-
щенных витков l ax, rде ах доля витков, отс.читываемых
от нейтрали (рис. 12.17,6), в пределах которои защита не
срабатывает а чувствительность оценивается минимальным
током при K , достаточнbIм для ее срабатывания. Если
П р инять 1(1) И 31 П р опо р циональными а, l нб ,раб, направ-
за Ora
ленным в сторону, обратную 1 l), ТО С учетом Toro, что Qe.
рез Т А проходит ток 1 31 От (последний, как подчер-
кивалось в rл. 1 и 10, тока в защите не создает), при а===ах
получаем lс.з===ах(I 1) 310r) IНб, раб, откуда ах=== (1с,з+
+l нб ,раб)/(IР) 31or). rрафическое определение ах приве-
дено на рис. 12.17,8.
Приведенные соотношения показывают, что защита все-
rда имеет' не 100 % -ную защитоспособность, мертвая зона
а может в пределе охватывать даже всю обмотку. Первич-
нi:rй ток срабатывания КА7 (см. рис. 12.14), используемый
для действия защиты при K l), выбирается с учетом реко-
мендаций разработчиков примерно 100 150 А, выдержка
времени КТ3 примерно 1 2 с.
Кроме указанноrо OCHOBHoro принципиальноrо недостат-
ка (наличие мертвой зоны), особенно существенноrо для
мощных reHepaTopoB, защита имеет и ряд друrих нали-
чие выдержки времени, невозможность осуществления
сплошных шиноriроводов и т. п. Поэтому В настоящее время
необходимые для нее ТА нулевой последовательности про-
мышленность более не изrотовляет и остро встал вопрос о
создании новой защиты от Kil) . Наиболее интересным ее
вариантом является вновь разработанная защи:,а ВНИИЭ,
основанная на сравнении токов непромышленнои частоты в
фазах reHepaTopa.
12.1 З. ЗАЩИТА ОТ K l) . ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ СООТНОШЕНИЕ ТОКОВ
НЕОСНОВНЫХ ЧАСТОТ В ФАЗАХ rEHEPATOPA
\ Принципы, положенные в основу осуществления. Неко-
торые соображения по осуществл нию за иты кратко из-
ло,жены в rл. 10 по защитам от K ) линии. Она осуществ-
ляется реаrирующей не на токи 310 в месте включения, а
на соотношения значений слаrающих высШих частот в трех
фазах защищаемых элементов и поэтому не требует исполь-
408
зования фильтров 310. Защита линий реаrирует на устано-
вившиеся значения высших rармоник и выполняется обыч-
но работающей только на сиrнал с выдержкой времени.
Применительно к защите reHepaTopa ее целесообразно вы-
riолнить работающей на отключение без выдержки времени.
Поэтому приходится учитывать переходНЫе значения этих
rармоник'. Кроме Toro, при выполнении защиты без выдер-
жки времени представилось возможным использовать так-
же слаrающие переходноrо процесса, кратковременно по-
являющиеся при K I) (см. rл. 10) во второй ero части,
которая характеризуется дополнительным зарядом емкос-
тей неповрежденных фаз системы и обусловливает про-
хождение токов через обмотки источников питания re-
нераторов, распределяясь по фазам так же, как токи выс-
ших частот [57J.
С учетом последнеrо автором разработки В. 2\1.. Кискачи
и предложено считать защиту реаrирующей на соотношение
токов неосновных частот, включая в них и вторую указан-
ную слаrающую. Определение является, конечно, недоста-
точно точным, так как в переходном процессе существуют
уже H rармоники, а знакопеременные затухающие слаrа-
ющие (см. rл. 1).
Использование рассматриваемоrо принципа примени-
тельно. к защитам reHepaTopoB является значительно более
эффективным, чем для защиты линий, так как представля-
ется возможным сравнивать не фазные токи, а разности то-
ков в начале и конце каждой фазы. При этом условию сра-
батывания приНципиально однозначно соответствует превы-
шение одноrо уровня токов (в поврежденной фазе) над
двумя друrими их уровнями (в неповрежденных фазах), в
том числе и при перемещении точки K внутри обмот-
ки статора. Использование качественноrо (а не количест-
BeHHoro) сравнения величин, независимость от токов на-
rрузки в фазах (за исключением влияния тОков небаланса
i Нб в дифференцнальных цепях) MorYT определять хорошие
Показатели защиты, выполненной по рассматриваемому
принципу.
Соотношения сравниваемых токов неосновных частот,
качественно иллюстрирующие рассматриваемый принцип
защиты, приведены на рис. 12.18, а (внутреннее K ) и рис.
12.18,6 (внешнее K l) ), при условии, если пренебречь для
простоты емкостью фаз обмоток C Or и считать, что эдс re-
нераторов синусоидальны (не имеютслаrающих тройноЙ
409
Б
.........
ДатЧlLки тока
r;
i== о
Р
,D,атЧlLКI.J. тока
АВС
:1лененты, опреВе ляю
щuе ёарнонI.J.ХI.J.
"/
I
I ['
I ал :r: ф
1++
L ..J.........J
А
В
С
.,......
а)
А В [
Злеl'fенты, oпpeOe
ЛЯЮЩllе t?apMOHlLKI.J.
А
fj
с
о)
Рис. 12.18. Токораспределение при внутреннем (а) и внешнем (6) K l)
для защиты по рис. 12.19
частоты). При отсутствии K l) И нормальной работе в иде-
альном случае разность токов, проходящая через ИО каж-
дой фазы защиты, равна нулю. Практически она представ-
ляет lнб. Однако эти lнб содержат весьма малые слаrающие
неосновной частоты. Пороr срабатывания защиты выбира-
410
ется так, чтобы была обеспечена отстройка от этих слаrа-
ющих при максимальных токах наrрузки. При K l) вблизи
вывода одной фазы обмотки вдоль двух неповрежденных
фаз проходят токи неосновной частоты, определяемые ем-
костями неповрежденных фаз сети, и их разность, обуслов-
ливающая ток в ИО, равна нулю. Токи неповрежденных
фаз, складываясь у нейтрали reHepaTopa, проходят по по-
врежденной фазе к месту K ). Со стороны сборных шин к
месту K l) может в общем случае проходить остальная
частЬ тока в месте повреждения. В этих условиях токи не-
основных частот, проходящие через ИО, образуются слаrа-
ющими с обеих сторон ипропорциональны току в месте
BHYTpeHHero К ) . Защита, сравнивающая разности токов
в трех фазах, срабатывает. При КШ внутри обмотки токи
в ИО уменьшаются, однако их соотношение в фазах оказы-
вается достаточным для охвата защитой большей части об-
мотки.
Выполнение. Структурная схема защиты приведена на
рис. 12.19. Описание выполнения дано в соответствии со
Jf{;
'"g ''''' {
'"
:з '"
"t:J
Е: >: ..;
C> :з
E::
Рис. 12.19. Структурная схема защиты reHepaTopa от K l), реаrирую.
щей иа неосновные частоты (ВНИИЭ)
статьей автора-разработчика [57] и др. Питающие защиту
трансреакторы 1 включаются в уже имеющиеся дифферен-
циальные цепи продольной дифференциальной токовой за-
Щиты reHepaTopa. Они выполняют ряд функций: преобра-
ЗУЮТ дифференциальные токи в напряжения, Пропорцио-
наЛЬНЫе их производным, увеличивая тем самым значения
411
слаrаЮЩIlХ высших частот и подавляя апериодические сла
rающие; rа.'Iьванически отделяют цепи защиты от цепей
ТА; повышают ее помехоустойчивость. Фильтры 2 высших
частот подавляют основные слаrающие напряжений. Эле
менты 3 предназначены для автоматическоrо изменения
значения подаваемоrо на них сиrнала в соответствии с Tpe
буем ой чувствительностью "защиты (защита имеетавтома
тическую реrулировку чувствительности в процессе возник
шеrо K I»). Они перемножают переменные напряжения
входных сиrналов и постоянное напряжение управления
Uупр, подаваемое с выхода интеrратора блока 12. Напря
жение .U упр нарастает с переменной скоростью с момента
срабатывания пусковоrо opraHa 7 напряжения нулевой по
следовательности и определяется интеrралом по времени
разностей напряжений заданноrо эталонноrо и макси
мальноrо из трех выходных напряжений блоков 4, выделя
eMoro селектором 11. Таким образом обеспечивается YKa
занная выше автоматическая реrулировка чувствительно
сти защиты. При этом выходные напряжения блоков 4
находятся на заданном уровне в широком диапазоне BXOД
ных токов защиты, повторяя с необходимой точностью co
отношения этих токов. Этим определяется четкая работа
защиты как в широком диапазоне емкостей на землю сис
темы reHepaTopHoro напряжения (через которые замыка
ются все используемые т'оки неосновной частоты), так и при
любом виде замыкания на землю (металлическом, через
Rп, при перемежающемся замыкании и т. д.). Блок 5 преk
назначен для определения соотношений этих напряжений и
выдачи полученной информации на лоrический реаrирую
щий opraH б. Последний определяет, соответствуют ли co
отношения сравниваемых токов повреждению в защищае
мой зоне, оrраниченной Т А дифференциальной защиты [e
нератора, или вне ее, в зависимости от чеrо выдает или не
выдает сиrнал на срабатывание выходноrо opraHa 10 при
условии отсутствия запрета от блока 7. Последний нормаль
но блокирует срабатывание opraHa б. Одновременно после
срабатывания блока 7 блок 9 формирует подаваемый на
блок 8 сиrнал для запуска последним автоматической pery
лировки чувствительности (блок 12) на заданное время.
Если в течение этоrо времени не происходит срабатывания
opraHa 10, устройство переводится в исходное по чувстви
тельности «rрубое» состояние; если в указанном интервале
времени opraH 10 срабатывает, то чувствительность YCT
ройства остается на достиrнутом уровне. озврат защиты
412
происходит при возврате opraHa 7 или исчезновении cpaB
ниваеМЫХ токов. Кроме Toro, описанное действие блоков 8
и 9 позволяет практически исключить возможность непра
вильных срабатываний защиты в условиях длительноrо
КО), т. е. коrда opraH 7 находится в сработавшем состоя-
з
нии.
В то же время при переходе внешнеrо K I) в K .I) со
второй точкой пробоя в reHepaTope rрубая для условий K I)
защита оказывается чувствительной к K1 I) и действует
на отключение. В схеме защиты имеются также блок про
верки 13, блок сиrнализации 14, блок питания и ряд допол
нительных приспособлений, на схеме не показанных.
В результате, как следует из рассмотрения схемы, за
щита оказывается достаточно сложной, ее выполнение на
электромеханической элементной базе практически невоз
можно. Однако, будучи выполненной на современной мик
роэлектронной базе, она оказывается достаточно компакт
ной и вполне приемлемой для эксплуатации.
Оценка и область применения. По данным разработчи
ка для удовлетворительной работы защиты достаточно Ha
маrничивающеrо тока одноrо повышающеrо трансформато
ра, на который reHepaTop работает. Теоретически предель
ным, наиболее тяжелым случаем работы является случай,
при котором внешних присоединений нет и токи K !) MO
rYT замыкаться только через собственные емкости фаз re
нератора C or . С учетом этоrо уставки защиты выбраны так,
что она может срабатывать при двух равных сиrналах, не
превышающих 0,75 большеrо TpeTbero сиrнала поврежден
ной фазы, с коэффициентом чувствительности 1,3 при K I)
на выводах. Поэтому в рассматриваемом режиме (практи
Чески это [енератор с отключенным выключателем) может
быть использована максимальная защита напряжения HY
л:вой последовательности. Помочь MorYT также токи TpeTЬ
еи rармоники, определяемые несинусоидальностью ЭДС.
Таким образом, получается защита с абсолютной селек
Тивностью, не требующая выдержки времени и охватываю
щая в основных режимах значительную часть обмотки CTa
тора. Промышленностью ыполнена ее опытная партия.
Целесообразно проведение всесторонних испытаний защиты
в энерrосистемах, в частности проверка достаточной эффек
ТИвности принятой блокировки защиты при всех видах BHe
Шних КЗ, осуществляемой opraHoM 7, реаrирующим на и о
413
(напряжение срабатывания 0,1 ИНОМ) и оrраничивающим
ДОJ}Ю защищенных витков (защита имеет мертвую зону у
неитрали [енератора).
12.14. ЗАЩИТЫ ОТ ПОВРЕЖДЕНИй В ЦЕПЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Учитываются амыкани.я на землю (вал ротора) в одной
точке и во второи точке обмотки возбуждения, поврежде
ния в системе тиристорноrо возбуждения.
В практике эксплуатации машин небольшой мощности
старых конструкций специальных защит от замыканий в од-
ной точке вообще не предусматривалось. Для проверки изо-
.1ЯЦИИ обычно использовался известный метод с ручным по-
очередным подключением полюсов обмотки ротора к корпу
су через ольтметр или друrой индикатор напряжения.
В дальнеишем начали применять защиты с включением ИО
между одним из полюсов обмотки и землей через вспомоrа-
тельный источник низкоrо напряжения постоянноrо или пе
peMeHHoro тока. Предпочтение отдавалось схемам, работа-
ющим на переменном токе, с отделением их цепей от систе-
мы возбуждения через конденсатор (рис. 12.20). Принципи-
альным недостатком этих схем является оrраничение их
чувствительности емкостью цепей возбуждения по отноше-
нию к земле, которая для современных мощных машин мо-
жет достиrать 2 мкФ И даже более. Поэтому желательно
применение наложенноrо тока по возможности низкой Ча-
стоты. Однако в обмотках возбуждения MorYT появляться
напряжения низких частот, например при работе реrуля-
торов возбуждения сильноrо действия. Это, в частности, or-
раничивает выбор низкой частоты для наложенноrо тока и
обусловливает необходимость считаться с емкостной прово-
димостью цепей возбуждения.
Защиты от рассматриваемоrо повреждения выполняют-
ся в настоящее время действующими на отключение преж-
де Bcero на rидроrенераторах, так как от возможноrо тяже
лоrо повреждения, возникающеrо при замыкании на зем-
лю и ВО второй точке, пока достаточно совершенных защит
нет. На турбоrенераторах она часто работает только на
сиrнал (на отключение при бесщеточной системе возбуж
дения). От повреждений в системах с тиристорным само-
возбуждением устанавливаются максимальные токовые за-
щиты в фазах питающеrо их силовоrо трансформатора,
жестко включаемоrо на выводах reHepaTopa.
414
На сцС} ал
f и 1
EJ
/( системе
8CJзо!/жiJен""
08
R uз
Оомоткй
8030!lжi1енц"
а)
о)
х ЛО2Ц'lf!СКCJЦ частu.
Рис. 12.20. Принцип выполнения защиты от замыкаиий на землю в oд
иой точке цепи возбуждения, выпускаемой промышленностью (а), и
структуриая схема защиты ВНИИЭ В3ПИ (6)
Выполнение защит от замыканий в одной точке. Про-
мышленностьЮ выпускается защита, в основу которой по
ложен а структурная схема по рис. 12.20, а. Она разработа-
на по предложению А. Л. rринблата и предусматривает
использование в качестве ИО opraHa активНОЙ мощности
(первоначально) или opraHa активноrо сопротивления (поз-
же), реаrирующеrо на активную часть тока, пропорциональ-
Horo переходному сопротивлению в месте повреждения. Для
уменьшения влияния емкости разделительноrо конденсато-
ра на работу схемы он включается последовательно сдрщ-
ce.1JeM, образуя резонансный контур на принятой частоте
25 [ц (см., например, [10]). К. недостатку схемы следует от-
нести низкую чувствительность, уменьшающуюся с увели-
чением емкости цепи возбуждения.
Учитывая это, разные орrанизации продолжали работы
по созданию более совершенных устройств. Так, например,
во ВНИИЭ (Ю. [. Назаров, М. А. Федосеев и др.) была
разработана защита (исследования были продолжены
415
М. А. Федосеевым в ВЗПИ), основанная на наложении на
цепь возбуждения переменноrо напряжения от посторонне-
ro источника, осуществлении компенсации емкости и сопро-
тивления изоляции цепи возбуждения и использовании мо-
стовой схемы измерения (рис. 12.20, б). Как показали иссле-
дования, целесообразный диапазон частоты наложенноrо
напряжения для турбоrенераторов 12 18 [ц [82]. Одним
плечом мостовой схемы Яli!ляется обмотка возбуждения ОВ
и индуктивно-емкостный фильтр присоединения 1, друrим
такой же фильтр 1, блок компенсации емкости 2 и сопро-
тивления изоляции 3 цепи возбуждения, два друrих пле-
ча одинаковые резисторы 4. В одну из диаrоналей вклю-
чается источник наложенноrо напряжения 5, в друrую
измерительный блок б. При возникновении нарушения изо-
ляции мост оказывается разбалансированным и ИО сраба-
тывает. Предусмотрена возможность автоматическоrо из-
менения емкости компенсации при переводе машины, на-
пример, на резервную систему возбуждения, а также
возможность замера сопротивления изоляции цепи возбуж-
дения. Испытания показали, что влияние реально возмож-
Horo в эксплуатации изменения емкости цепи возбуждения
на изменение уставки защиты несущественно. Чувствитель-
ность устройства, имеющеrо две ступени, значительно вы-
ше paccMoTpeHHoro ранее.
На базе этой работы ВНИИР создана защита для про-
мышленноrо освоения.
В ЛПИ (В. к. Ванин и др.) разработано устройство со
своеобразным наложением на обмотку возбуждения пере-
MeHHoro напряжения с прямоуrольной формой импульсов.
Достоинством схемы является независимость от емкости
/ цепи на землю [57J.
Во ВНИИЭ (С. А. Евдокимов) предложен способ [57],
в котором используется наложение на защищаемую цепь
периодически возрастающеrо по какому-либо закону на-
пряжения низкой частоты. На работу защиты также не
влияет емкость цепи возбуждения.
Защита от замыканий во второй точке обмотки возбуж-
дения. Защита была разработана и исследована еще в 30-е
rодЫ. Она выполняется в виде комплекта, в который вхо-
дят делитель напряжения (потенциометр), opraH тока,
один из концов обмотки KOToporo соединен с движком по-
тенциометра, и некоторые элементы (рис. 12.21, а). Пред-
усматривается один комплект, общий для всех или rруппы
reHepaTopoB станции. Он вручную присоединяется к reHe-
416
н"
. 'Iepl!3 щетку
На заземленныц
Вал ротора
2!!нератора
+
а}
/( цели 80за'fЖ
Clенuя
11
+b
I
На Сf)?нал или
flтключенuе
/( flал,/ fomopa
2енератора
S8
р)
. Рис. 12.21. Защита от замыканий на землю во второй точке цепи воз-
буждения:
а принцип работы; б схема выполнення
ратору, в цепи возбуждения KOToporo возникло замыкание
на землю в одной точке (например, Кl на рис. 12.21, а), ес-
ли поврежденный reHepaTop оставляется на некоторое вре-
мя в работе. Потенциометр включается параллельно обмот-
ке возбуждения, а второй конец обмотки ИО соединяется
через накладку (не показана) и специальную щетку с за-
земленным валом ротора. При этом получается схема че-
тырехплечевоrо моста, образуемоrо частями R и R: об-
мотки возбуждения (до точки К 1 ) и R' и R" потенциометра
(до движка), с ИО в ero диаrонали. При установке движка,
контролируемой вольтметром, в положение равновесия
Моста R я R" ==R: R' и постоянный ТОК в ИО равен нулю.
после этоrо защита вводится в работу указанной выше на-
кладкой. Необходимость непосредственноrо соединения за-
щиты с валом, а не с заземляющим контуром станции пред-
отвращает циркуляцию через ИО паразитных токов, нали-
чие которых было в 30-е rоды выявлено в Мосэнерrо
(П. [. rрудинским). При возникновении BToporo замыкания
27 855 417
(в точке К2) часть обмотки возбуждения закорачивается,
равновесие моста нарушается и защита срабатывает, если
i p > ic,p.
За счет неравномерности воздушноrо зазора в машине
маrнитный поток, с которым сцепляются части обмотки воз-
буждения, разделенные точкой Kt, пульсирует. При этом
через ИО может проходцть переменный ток. Для Предот-
вращения ложноrо срабат'ывания ИО под воздействием это-
ro тока принимается ряд мер: последовательно с ero об-
моткой включается дроссель, а параллельно конденса-
тор (рис. 12.21, б). Предусматриваются и друrие меропри-
ятия для повышения эффективности действия устройства.
Так, например, защита снабжается небольшой выдержкой
времени для предотвращения случайных срабатываний.
Защита обладает рядом недостатков: имеет мертвую зо-
ну, стремящуюся к 100 % витков обмотки возбуждения, ес-
ли К! расположено у полюса и движок располаrается
вблизи Hero; ее невозможно использовать при машинном
возбуждении, так как при возникновении К! в цепи возбуж-
дения возбудителя она моrла бы ложно срабатывать при
изменении сопротивления реrулировочноrо реостата; ее
трудно (например, на rидроrенераторах) отстроить от пе-
peMeHHoro тОка в цепи ИО. лучших исполнений нет. Поэто-
му защита используется только на некоторых типах reHe-
раторов, которые оставляются на некоторое время в работе
с наличием замыкания в одной точке цепи возбуждения.
12.15. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ОТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ СВЕРХТОКОВ
Структурная совмещенная схема комплексной защиты
для reHepaTopOB с непосредственным охлаждением про-
водников обмоток приведена на рис. 12.22. Как было обос-
новано выше, воздействующими величинами для нее долж-
ны являться токи обратной последовательности 12. Они
получаются от фильтра токов 12, включаемоrо на ТА, уста-
навшшаемые на выводах фаз статорной обмотки к нейтра-
ли. Это обеспечивает использование защиты для резерви-
рования защит от внутренних КЗ в reHepaTope.
Первый opraH тОка КА 1, представляющий как бы 1
ступень защиты, предназначен для действия на сиrнал при
небольших 12, соответствующих длительным 12, составля-
ющим примерно 0,07J иом ,r для старых исполнений турбоrе-
нераторов и 0,08 для новых, а для rидроrенераторов в зави-
симости от их мощности О,I; 0,15 или 0,21 иом ,r. Выдерж-
418
ка времени выбирается большей максимальных выдержек
времени защит от КЗ в системе. Первичный ток срабат -
вания opraHa должен отстраиваться от совокупноrо воздеи-
ствиЯ lнб и 12 В максимальных рабочих режимах с учетом
cBoero k B . Ток 12 В указанных режимах обычно близок к
нулю, поэтому Первичный ток срабатывания 1 ступени l с ,з
принимается соответствующим длительно допустимому 12.
второй opraH тока КА2 предназначен для запуска 11 сту-
На СI.iZНйЛ
Нй отнлючеНI.if? В. ц
zашенuе поля
л
ZA
Рис. 12.22. Совмещенная структурная схема защиты [енератора от
сверхтоков обратной последовательности
пени защиты, работающей с зависимой характеристикой
Выдержки времени t!I==f(I2), отстраиваемой по времени от
..
переrрузочной характеристики по току 12, определяемой
(12.1). Таким образом, tII==koTcA/l , rде k oTc <l. Первич-
,.
ный ток срабатывания КА2 1 э выбирается несколько
большим 1 ,з . Третья ступень защиты осуществляется ор-
raHoM тока КА3 и opraHOM выдержки времени КТ3. Ее ос-
новным назначением является реаrирование на внешние
несимметричные КЗ, не отключеННЫе защитами предыду-
щих поврежденных элементов (например, повышающих
трансформаторов, линий и т. п.). Выбор тока срабатывания
КА3 с учетом всех условий является достаточно сложным
(см., например, [10]). При выборе учитывается необходи-
27*
41(}
мость соrласования по чувствительности с заrцитами пре-
дыдуrцих элементов, иноrда реаrируюrцих на друrие воз-
действуюrцие величины; частично поэтому на повышающих
трансформаторах также предусматриваются токовые за-
щиты обратной последовательности, подобные III ступени
защиты [енератора (см. rЛ. 13). С учетом мноrих расчетов,
проведенных в СРЗиУ ТЭП и в эксплуатации, представля-
ется обычно возможным без специальных расчетов прини-
мать п :;рО,5+0,61 ио м,r. Выдержка времени III ступени,
осуществляемая opraHoM выдерЖКИ времени КТ3, выбира-
ется по известному ступенчатому принципу (см. rл. 5).
Часто у этоrо opraHa имеются две выдержки времени.
С первой защита действует на отключение, например, сек-
ционных выключателей шин, со второй, на ступень /1t боль-
шей, на отключение reHepaTopa. Часто для блочных re-
нераторов в защиту входит еще одна, IV ступень, предна-
значенная в качестве резервной реаrировать на особо опас-
ные Ю 2 ) в статорной обмотке reHepaTopa. Параметр сраба-
тывания ее opraHa тока КА4 выбирается так, чтобы эта
ступень работала с коэффициентом чувствительности kч
1,2 при Ю 2 ) на выводах reHepaTopa. Ее первичный ток
срабатывания вычисляется по выражению l IV ==12 Х
С.З *
хI ном ,r/k ч , [де 12 1/ (X +X2r). Выдержка времени прини-
*
мается на ступень большей выдержек времени быстродей-
ствующих защит от КЗ как caMoro reHepaTopa, так и пи-.
таемых им элементов, т. е. примерно 0,3 0,4 с.
В случаях, коrда соrласование по времени или чувстви-
тельности III и IV ступеней с резервными защитами смеж-
ных элементов, особенно мощных блочных станций, затруд-
нительно, возможно применение специальных решений, на-
пример установка дополнительных быстродействующих
резервных заrцит на шинах и отходящих ОТ них смежных
присоединениях.
OpraHbl тока II ступени с зависимой характеристикой
выдержки времени разрабатывались как в Советском Со-
юзе, так и за рубежом. Наилучшие их варианты были вы-
полнены во ВНИИЭ (М. А. Федосеев и др.) с использова-
нием полупроводников и маrнитных элементов с прямо-
уrольной характеристикой намаrничивания [84] и во ВНИИР
(Л. А. Надель и др.) на полупроводниках. В последнем
варианте на основе способа получения зависимости (12.1),
разработанноrо ВНИИЭ [76], вместо функциональных пре-
образователей и интеrраторов импульсов, выполненных на
420
ферромаrнитных элементах, применены емкостные. По-
следняя разработка была положена в основу защиты, вы-
пускавшейся промышленностью. При выполнении opraHa
приближенно учитывалось, что сверхтоки MorYT появляться
при не успевшем еще достаточно остыть роторе машины
от предыдуrцеrо несимметричноrо режима; по некоторым
даннЫМ (см., например, [65]) время полноrо охлаждения
может достиrать 200 с. Предусмотрено действие орrаиа с
завиСИМОЙ характеристикоЙ на отключение с двумя выдер-
t c
IY ступень
о,з+ 0,* с
А
1I ст gпень (t = Ir OTC rz )
*Z
1 стgпень
"'0,1
"'а,Б
jz
1
Кч (X TXzr)
Рис. 12.23. Результирующая время-токовая характеристика защиты от
cBerXToKoB обратной последовательности
жка:-.ш времени (как у III ступени). В настоящее время для
заrциты ВНИИР используется новая элементная микро-
электронная база.
В реЗУЛЫi,lте рассмотренныЙ комплект заrциты имеет
резулыируюrцую время-токовую характеристику, показан-
ную на рис. 12.23. При получении сиrналов о срабатывании
только 1 ступени обслуживаюrций персонал обычно имеет.
достаточное время для разrрузки или в крайнем случае
отключения машины. Так, например, даже при А==6 и
1 з ==O,l1 HoM ,r получаем время для проведения операций
t A/l ==6/(0,1)2==600 с (10 мин). Рассмотренное ВЫПОk
*
нение заrциты оказывается достаточно сложным. Поэтому
421
на практике Д.1Я [енераторов средней мощности применя
лись мноrоступенчатые токовые защиты с токами сраба
тывания и выдержками времени ступеней, заменяющих за-
висимую характеристику, выбираемыми так, чтобы на любом
участке получающиеся выдержки времени не превосходи-
ли допустимые значения, т. е. ступенчатая характеристика
вписывалась в рассмотренную выше зависимую характе-
ристику выдержки времени. Выбор параметров срабатыва-
ния для варианта защиты дан в [65].
Более" простой вариант ступенчатой защиты, часто при-
меняемыи для [енераторов с косвенным охлаждением,
осуществляется с использованием 1 ступени, работающей
на сиrнал с выдержкой времени, и III ступени с выдерж-
кой времени, предназначенной для ликвидации внешних
несимметричных КЗ. Если П р иняты llII ==051 то по -
с 'i J НОМ, r,
лучаем время после срабатывания '1 ступени, которое
можно использовать для разrрузки машины, например в
случае А == 30 и 11 == 0,071 HoMr t == 30/ (05 ) 2 tl == 120
1 С,З ' , С,З
tс,з'
12.16. ЗАЩИТЫ ОТ СИММЕТРИЧНЫХ СВЕРХТО/{ОВ
ДЛЯ защиты от симметричных переrрузок статорной
обмотки reHepaTopoB оrраничиваются однофазной токовой
защитой, действующей на сиrнал. Ее первичный ток сра-
батывания определяется по выражению l с ,з== kOTclHoM,r/kB' Со-
временные токовые реле MorYT выполняться с очень высо-
ким k B "'=' 0,99. В этом случае удается иметь l с ,з",=,l ном ,r. Вы-
держка времени, так же как и у сиrнальноrо opraHa защит
обратной последовательности, принимается большей мак-
симальных выдержек времени защит от КЗ в системе.
Защиты от внешних К('З) выполняются однофазными
токовыми с дополнительным пуском от минимальноrо ор-
rала напряжения, включаемоrо через TV на одно из меж-
дуфазных напряжений со стороны выводов reHepaTopa
(рис. 12.24). Наличие opraHa напряжения дает возмож-
ность отстраивать opraH' тока ТО.1ЬКО ОТ l пом ,r, а не от
l ра бmах, которые кратковременно MorYT достиrать' 2--:--
2,51 H oM,r; при отсутствии .0praHa напряжения защита полу-
чалась бы неприемлемо мало чувствительной. Ток сраба-
тывания защиты lс,з==kотсlном,r/kв. Напряжение срабатыва-
ния Uс,з выбирается с учетом двух условий:
1) обеспечения возврата после отключения внешнеrо
КЗ, коrда необходимо иметь Uв,з Uрабтiп/ (kотсkвkзu) , rде
422
k k" и k зи больше единИЦЫ, причем k зи учитывает пони-
оТС, u
жение напряжения за счет самозапуска двиrателеи потре-
бителя;
2) отстройки от понижения напряжения, например при
потере возбуждениЯ. Второе условие является расчетным
для турбоrенераторов, которые при потере возбуждени
MoryT быстро не отключаться. Пр и этом U С,З "'=' 0,5--;-
06 UHoM,r.
, Для блочных reHepaTopoB, а в зарубежной практике и
для [енераторов, работающих на шины, от внешних ЮЗ)
На
откЛЮЧl'НUI!
Рис. 12.24. Совмещенная схе-
ма токовой защиты с минималь-
ным пуском напряжения от
симметричных сверхтоков К3
Рис. 12.25. Совмещенная схема за-
щнты с opraHoM сопротивления от
снмметричнЫХ сверхтоков К3
используется одноступенчатая дистанционная защита, вклю-
чаемая на разность токов двух фаз со стороны выводов к
нейтрали и соответствующее им междуфазное напряжение
на выводах (рис. 12.25). Современная элементная база да-
ет возможность выполнять такую защиту достаточно ком-
пактной, а по чувствительности лучшей, чем рассмотренная
выше токовая защита с дополнительным пуском по. напря-
жению. Характеристики срабатывания выбираются с уче-
том тех же соображений, что и характеристики последних
(IП) ступеней дистанционных защит (см. rл. 6). В частно-
сти, сопротивление срабатывания защиты с pe.ТIe, имеющим
круrовую характеристику, определяется по выражению zс,з==
==Zн[kотсkвСОS(qJртахч qJн)] (см., например., [65 и 66]). За-
щита, как и рассмотренная выше токовая, часто выполня-
ется с двумя выдержками времени подобно защитам от не-
симметричных сверхтоков. Для нее не требуется блокиров-
423
ка ОТ качаний. Предотвращение J10ЖНЫХ срабатываний при
нарушении цепей напряжения осуществляется по упрощен-
ной схеме заведением цепи оперативноrо тока через
вспомоrательные контакты автоматических выключателей
защищающих TV от К:З. '
12.17. ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕrрузоk ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЕ В ЦЕПИ
ВОЗБУЖДЕНИЯ
На турбоrенераторах с непосредственным охлаждени-
ем проводников обмоток и мощных rидроrенераторах уста-
навливаются достаточно совершенные защиты от переrру-
зок, реаrирующие на ток в обмотке возбуждения. Они
имеют opraH, деЙствующий на сиrнал с выдержкой време-
ни при малых переrрузках, и несколько более rрубый пус-
ковой opraH, предназначенный для заПуска opraHa с зави-
симой характеристикой выдержки времени, определяемой
соотношением t==kOTCAI[k(IpoT B)n], rде kOTc l. В резуль-
*
тате по принципу действия получается защита, подобная
рассмотренной выше защите от сверхтоков 12. Она разра-
ботана ВНИИР (Л. А. Наделем и др.). Уставка сиrналь-
Horo opraHa соответствует 1,05/ poT ,HOM, а opraHa, запускаю-
щеrо opraH с зависимой характеристикой, приблизитель-
но 1,1/ РОТ,НОМ. ТОК обмотки возбуждения подается в защиту
от датчика, в качестве KOToporo при тиристорном и высо-
кочас'I'ОТНОМ возбуждении используется трансформатор
постоянноrо тока, а при бесщеточном возбуждении ин-
дукционное устройство, представляющее «беличью клетку»,
охватывающую вал ротора, внутри KOToporo проходят про-
вода от возбудителя к обмотке ротора. В защите преду-
сматривается также учет возникновения переrрузки при
не успевшем остыть роторе. .Защита достаточно сложна.
Поэтому на практике для менее мощных турбо- и rидро-
reHepaTopoB применяется упрощенная защита. Она вы-
полняется при помощи opraHa напряжения KV, вклю-
чаемоrо параллельно обмотке ротора, воздействующая ве-
личина KOToporo пропорциональна I poT . Обычно принима-
ют Uс,з 1,5/POT,HoMR p OT, rде RPOT сопротивление обмот-
ки ротора в rорячем состоянии при максимально
длительно допустимой температуре. С учетом Toro, что
при форсировке возбуждения IpoTтax может достиrать
2/ рот ,ном И что время срабатывания защиты не должно
превосходить t доп , получаются времена срабатывания за-
424
щиты примерно 20 30 с. Обе защиты с меньшим време-
неМ действуЮТ на развозбуждение, с большим на отклю-
чение.
12.18. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Исследования, проведенные в Союзтехэнерrо и на
электродинамической модели ВНИИЭ (А. [. Шейкман,
Э. Л. Бронштейи, Ю. 51. Травина и др.), в Сибирском НИИ
энерrетиКИ (Б. З. [амм, В. Ф. Тонышев), в К:оми филиале
АН СССР (В. А. Полуботко), В ЛПИ (r. м. Павлов,
В. К. Ванин и др.) и ряде друrих орrанизациЙ, дают осно-
вание полаrать, что одним из наиболее приемлемых спо-
собов для выявления потери возбуждения является ис-
пользование минимальных opraHoB сопротивления (см.
rл. 6). [енератор, потерявшиЙ возбуждение, представля-
ет как бы индуктивность, зависящую от скольжения рото-
ра s; последнее может ii3меняться в пределах нескольких
процентов рабочей частоты, но всеrда меньше 10 %, при
которых срабатывает автомат безопасности турбины. По
данным Союзтехэнерrо и зарубежным источникам для
турбоrенераторов при реальных скольжениях и активной
наrрузке сопротивление на выводах [енераторов распола-
rается в различных точках дуrи окружности, опирающей-
ся на точки X d и X И расположенной в четвертом квадран-
те комплексной плоскости сопротивлений (рис. 12.26). При
нормальной работе reHepaTopa с активно-индуктивной на-
rрузкой и внешних К:З сопротивление на выводах reHepa-
тора обычно располаrается в первом квадранте той же
плоскости. Таким образом, рассматриваемый принцип мо-
жет базироваться на различии областей расположения ZЗ
На зажимах reHepaTopa при нормальной работе и внешних
К:З и в" случае потери возбуждения. При практической
реализации TaKoro принципа возникает, однако, ряд за-
Труднений. к: ним в первую очередь относятся следующие.
Защита от потери возбуждения не должна, как уже отме-
чалось выше, срабатывать при rлубоких качаниях и асин-
хронном ходе, коrда концы векторов ЗI как это подробно
рассматривалось в rл. 6, скользя ПО прямой (кривоЙ) ли-
Нии нулевых потенциалов, MorYT попадать в область сра-
батывания защиты, оrраниченную характеристикой opra-
на сопротивления.
Необходимо учитывать, что современные системы воз-
БУждения MorYT характеризоваться весьма разными нару-
425
шениями в работе, определяющими возникновение потери
возбуждения. При этом концы з MorYT существенно OT
клоняться от значений, определяемых точками кривой на
рис. 12.26, попадая даже в третий квадрант комплексной
плоскости сопротивлений. Наличие отклонений з обуслов-
ливается также для случаев мноrополюсных 'машин неоди-
наковостью их частотных характеристик по продольной
+jx
R
возможная прнная
Нljле!1020 потеНЦlL
ала
H
-+-R
ZЗ (Пf1U потере
lJозО,!жаеНlLЯ)
'1
01
jx
Рис. 12.26. Сопроти ления, измеряемые защитоЙ при нормальноЙ работе
[енератора, внешних КЗ, потере возбуждения и асинхронном ходс
и поперечной осям. В некоторых случаях следует также
учитывать, что ZЗ по данным Союзтехэнерrо может сни-
жаться до 0,5 X .
Все это приводит к усложнению выбора необходимых
параметров защиты, тем более что отдельные из приведен-
ных факторов предъявляют к ней противоположные тре-
бования. Так, например, для лучшей отстройки от асин-
xpoHHoro хода, как давно было известно, целесообразно
сужать область, охватываемую характеристикой, и выпол-
нять защиту с выдержкой времени, которая при рассмат-
риваемом повреждении считается допустимой. В тех же
целях осуществлялось смещение характеристик в третий
426
квадрант. С друrой стороны, для охвата всех возуlOЖНЫХ
Zз прИ потере возбуждеuния эту область следует расши-
рять, смещение в третии квадрант сокращать до значе-
ний, меньшиХ 0,5 X , а выдержку времени защиты по воз-
можности уменьшать. На рис. 12.26 приведены примерные
возможные характеристики Zс,з == {(срр): соответствующая
направленному реле сопротивления' (Ц и улучшенная (2),
В чrу (Э. М. Шнеерсоном) сделано предложение о вклю-
чениИ на выходе ИО сопротивления параллельно opraHY
Рис. 12.27. Вариант схе.
мы защиты от потери
возбуждения, ИСПО.1ьзу-
юшнЙ opraH сопротив-
ления с иыдержкой вре-
мени
На отключение
выдержки времени специальноrо счетчика, который реrи-
стрирует (рис. 12.27) повторяющиеся вхождения ZЗ в об-
ласть срабатывания, отличающиеся от таких же вхожде-
ний при асинхронном ходе меньшиМИ временами [83]. He
обходимо, однако, иметь в виду, что период асинхронноrо
хода (проворот на 3600) может составлять Bcero около
0,1 с и поэтому целесообразность рассматриваемоrо меро-
приятия требует уточнения.
12,19. СПОСОБЫ rАШЕНИЯ МАrнитноrо поля rEHEPAТOPOB
В предыдущих параrрафах данноЙ rлавы неоднократно
упоминалось о действии защит, прежде BCero реаrирую-
щих на внутренние повреждения, на rашение поля. Ино-
rда для краткости при ясности ситуации rоворилось про-
сто о действии таких защит на отключение. В зависимости
от используемой системы возбуждения это rашение осу-
ществляется различным образом. Так, например, rашение
поля турбоrенераторов при электромашинном или высоко-
частотном возбуждении производят с помощью автоматов
427
rашения поля (Аrп), при тиристорном возбуждении
переводом тиристоров в инверторный режим, при бесще-
точном возбуждении переводом в инверторный режим
тиристоров в цепи возбуждения возбудителя. Тип системы
возбуждения оказывает также прямое или косвенное вли-
яние на выполнение защит reHepaTopoB. При ТИРИСТОРНОЙ
системе с самовозбуждением при отсутствии специальных
последовательных трехфазных трансформаторов, вклю-
чаемых в фазы со стороны выводов к нейтрали reHepaTo-
ра, требуется принятие мер к обеспечению работы защит
с выдержками времени при КЗ на выводах reHepaTopa
или даже за повышающим трансформатором блока, коrда.
питание цепей возбуждения нарушается. Различие по-
вреждений в разных системах возбуждения влияет также
на области расположения Z3 при потерях возбуждения
(см. 12.18).
12.20. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ
Защита синхронных компенсаторов от внутренних по-
вреждений выполняется так Же, как и reHepaTopoB соот-
ветствующих мощностей. Защита от ненормальных режи-
мов имеет ряд отличИй. Они в основном сводятся к следу-
ющему: обычно не предусматривается защита от внешних
КЗ, защита от переrрузки работает на сиrнал и разrруз-
ку, предусматривается минимальная защита напряжения,
работающая при длительном исчезновении напряжения и
предназначенная, rлавным образом, для пуска не подrо-
товленноrо к этому компенсатора. Указанный пуск осуще-
ствляется для мощных компенсаторов через реактор,
который после разворота шунтируется выключателем.
В последние rоды для пуска и торможения таких компен-
саторов используются мощные преобразовательные тири-
сторные установки. При этом защитам приходится рабо-
тать в условиях широкоrо диапазона частот, на которые
они обычно не рассчитываются. Вопросы выполнения и по-
ведения защит в рассматриваемых условиях исследова-
лись в НПИ, была проведена совместная работа ВНИИЭ
(Я. С. rельфанд) и rидропроекта (r. Р. Носова), непо-
средственно относящаяся к защитам rенераторов-двиrате-
лей rидроаккумулирующих электростанций [57].
428
вопросы для самопроверки
1. От каких видов повреждений и ненормальных режи-
мов работы предусматриваются защиты современных син-
хронных reHepaTopoB с непосредственным охлаждением
проводников обмоток?
2. Объясните влияние маrнитноrо торможения в ИО на
чувствительность продольной дифференциальной токовой
защиты reHepaTopa.
3. Объясните назначение короткозамкнутой обмотки
т ALT дифференциальной защиты.
4. Какие принципы выполнения защиты от Ki 1 ) в обмот-
ке статора используются в отечественной практике для re-
нераторов, работающих непосредственно на сборке шины,
и для reHepaTopoB, работающих в блоке с трансформатора-
ми (автотрансформаторами)?
5. Какие резервнЫе защиты предусматриваются для re-
нераторов?
6. Объясните способы выполнения защиты от замыка-
ния на землю в одной точке цепи возбуждения.
7. Объясните преимущества использования защиты от
несимметричных сверхтоков, реаrирующей на токи обрат-
ной последовательности; целесообразность применения ор-
raHa с интеrрально-зависимой характеристикой для reHe-
раторов с непосредственным охлаждением обмоток.
S. Поясните назначение защиты от потери возбуждения
и способ ее выполнения.
9. Какими преимущества ми обладает дистанционный
принцип выполнения защиты reHepaTopoB от внешних сим-
метричных КЗ по сравнению с токовым?
10. Сформируйте особенности выполнения защит син-
хронных компенсаторов.
rЛава тринадцатая
ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ,
АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ И БЛОКОВ
13.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Повреждения, возникающие в зонах, защищаемых за-
щитами трансформаторов (автотрансформаторов), внут-
ренние повреждения можно разделить на две rруппы:
429
происходящие в баках и вне бака в соединениях
между выключателями и баками, включая внешнюю часть
втулок трансформаторов (автотрансформаторов). Основ-
ными видами внутрибаковых повреждений являются МНо-
rофазные К3 (для трехфазных аппаратов), однофаЗНые
замыкания, которые делятся на витковые К3 K l), ОДНо-
фазные К3 К(1) в обмотках, ОТНОСЯЩИХСЯ к системам
с rлухозаземленными нейтралями (и ном 11 О кВ), и K l)
В обмотках, ОТНОСЯЩИХСЯ к системам с изолированными или
заземленными через дуrоrасящие реакторы нейтралями
и «пожар» стали сердечника, вызываемый вихревыми TOKa
ми при нарушении изоляции между пластинами сердечни-
ка. Повреждения К l) MorYT быть также связаны с пробоя-
ми на землю во внешней сети, коrда возникают K 1). Вне
бака MorYT иметь место все перечисленные выше мноrофаз-
ные К3, однофазные К(1) и K l) и рассматриваемые ниже
специфические повреждения втулок со стороны сверхвысо-
ких напряжений.
Основными ненормальными режимами работы являют-
ся внешние К3, переrрузки, недопустимые понижения уров-
ня масла в баке и недопустимые повышения напряжения
в некоторых режимах при незаземленных нейтралях обмо-
ток, входящих в систему в целом с r лухозаземленными
нейтралями (может быть при U,иом == 110+220 кВ). Пере-
rрузки, как симметричные, так инесимметричные, воспри-
ним аются тр ансформ атор ами (автотр ансформ атор ами)
более леrко, чем rенераторами. С учетом этоrо защиты при
переrрузках MorYT обычно действовать на сиrнал, а на не-
обслуживаемых подстанциях на разrрузку и только пос-
ле неэффективности разrрузки на отключение. При дру-
rих ненормальных режимах в зависимости от их характе-
ра и прочих условий защиты работают на сиrнал,
разrрузку, отключение. При возникновении наиболее опас-
ных Повреждений (мноrофазных, однофазных и витковых
I
I
I I t tI I
I I I т л I
f..л 1 I
t Jl
Л r}, о)
Рис. 13.1. Соrласование выдержек
времени защит трансформаторов с
защитами линий, имеющих ступенча-
тые характеристики выдержек вре-
мени:
а схемы сети; б характеристики защиТ
430
К3) защиты должны без выдержКИ времени действовать
на отключение выключателей. Наличие замедления не
тоЛЬКО ухудшает защиту трансформатора (автотрансфор-
матора) , вызывая большие ero разрушения, но также мо-
жет нарушать бесперебойную работу си темы и ухудшать
характеристики защит с относительнои селективностью
примыкающей сети. Последнее иллюстрируется рис. 13.1,
на котором изображены ступенчатая характеристика вы-
Р ...z к и В р емени t защиты линии и время срабатывания
де .11> л 1 1 t 11
защиты t T от К3 трансформатора. Время ступени л
должно быть больше t T . Специальные защиты от K l) в це-
лях упрощения, как уже указывалось выше, обычно не ус-
танавливаются.
13.2. ВНУТРЕННИЕ КЗ И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТАМ
Расчеты токов К3 при повреждениях на выводах про-
изводятся известными способами (см., например, [29]).
Распределение при этом токов в обмотках рассмотрено в
rл. 1. 3начительно более сложным является определение
токов при повреждении внутри обмоток. Ниже приводится
только rрубо приближенное качественное рассмотрение
этоrо вопроса. Работы, выполненные в последние rоды в
НПИ (А. С. 3асыпкиным), дают полное количественно;
и качественное рассмотрение получающихся соотношении
[!71] .
При известном токе l к ;;' в месте повреждения и доле
замкнувшихся витков а == Wa/W токи 1 к в фазах со стороны
питания приближенно определяются в предположении ра-
венства нулю суммы МДС обмоток. Так, например, при
междуфазном К3 во вторичной обмотке и соединении об-
моток У/У (рис. 13.2, а) wlK==Wa1I\a, откуда l к ==аl к а.; при
витковом К3 во вторичной обмотке при соединении Д/У
(рис. 13.2, б) wдlк==Wаl , откуда lк==wа 1ка. /WД, или, при-
нимая п т == 1, т. е. W д == Y3wy , l к ==аl ка /У 3; при витковом
К3 в первичной обмотке, соединенной в треуrольник (рис.
13,2,8), (WД Wа)lк==Wа(lка lк), откуда l к ==аl ка .
Таким образом, для рассмотренных случаев К3 вн'уТРИ
обмоток l K ==kal Ka , rде k коэффициент, определяемыи ви-
дом повреждения. Полученное выражение показывает, что
При малои доле замкнувшихся витков, даже при значи-
тельных l ка , токи l к В фазах со сторон питания MorYT быть
Значительно меньшими токов К3 при повреждениях на вы-
431
ПumCl.НU!!
o:IKct. + o<I (t CXI K ()(
rn ()(IKo:./YJt t\М (XIK"j,(j t(XIK(X
1 кос +
(( (X) I KOC
''" In9 0)1'1 {1l о) m 6)
Рис, 13.2. Распределение токов в первичной и вторичной обмотках
трансформаторов с односторонним питанием при внутренних К3
водах и даже меньшими номинальных токов трансформа-
торов. Поэтому к защитам от внутренних к.з предъявля-
,ется требование не только быстроты срабатывания-, но и
высокой чувствительности. Так, на основании [71] быва-
ет необходимо иметь Iс,зтin О,1 J пом ,
13.3. НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ
Переrрузки. Различают переrрузки, определяемые rpa-
фиком наrрузки, и аварийные, вызванные, например, вне-
запным отключением параллельно работавшеrо трансфор-
матора. Во всех этих случаях переrрузка допустима в те-
чение HeKoToporo времени. Так, например, как известно,
допускаются аварийные переrрузки, не оrраничиваемые
коэффициентом заполнения предшествующеrо rрафика, сле
дующих значений: 30 % в течение 3 ч, 60 % 45 мин,
100 % 10 мин. Для трехобмоточных трансформаторов
переrрузки определяются номинальными мощностями об-
моток. Для повышающеrо автотрансформатора не может
без переrрузки общей части обмотки (рассчитанной на ти-
повую мощность, меньшую проходной, по которой рассчи-
тывается остальная часть обмотки высшеrо напряжения)
передаваться мощность со стороны высшеrо напряжения
на сторону среднеrо, если на последнюю передается со'
стороны низшеrо напряжения типовая мощность. Поэтому
в общем случае учитывается возможность переrрузок об-
мотки высшеrо напряжения, ее общей части и обмотки низ-
шer'о напряжения.
432
При невозможности paccMoTpeHHoro и подобных ему
еЖИМОВ, например на понижающем автотрансформаторе
односторонним питанием, общая часть обмотки переrру-
жаться не может.
Однофазные токовые защиты (учет малой вероятности
несимметричных переrрузок) действуют на сиrнал, а иноr-
да, как указывалось выше, на разrрузку и последующее
отключение.
Внешние К3. При внешних (сквозных) к.з токи в об.
мотках MorYT HaMHoro превышать их номинальные значе-
ния. Максимальный ток может возникать при питании
трансформатора (автотрансформатора) от системы боль-
шой мощности, сопротивлением которой можно пренебречь
по сравнению с сопротивлением Х К трансформатора.
В этом случае установившийся 1 3 ax Iном,т/Х к . При кон-
струировании трансформаторов учитываются динамичес-
кие УСИJ1ИЯ от таких токов. Принимая это во внимание,
внешние к.з MorYT для таких трансформаторов представ
лять опасность, rлавным образом, по их тепловому воздей-
ствию на обмотки.
Устанавливаемая защита от внешних к.з имеет назна-
чение: действовать при длительном прохождении токов в
случае отказа защит или выключателей смежных элемен-
тов, работать в качестве основной при к.з на шинах (при
отсутствии специальной защиты) или в самих трансфор-
маторах малой мощности и резервировать в некоторых
случаях основные защиты.
Недопустимые понижения уровня масла в баке. Они
MorYT возникать, например, при сильных понижениях тем-
пературы, а также при образовании течи в баке. Защита
должна действовать на сиrнал или отключение в зависи-
Мости от степени понижения уровня масла с учетом вида
обслуживания электроустановки.
Недопустимые повышения напряжения. Нейтрали ав-
тотрансформаторов всеrда rлухо заземляются. Это пре-
дотвращает недопустимые повышения напряжения в сис-
теме среднеrо напряжения при к.з на землю в системе
ВЫсшеrо напряжения из-за rальваническои связи этих сис-
тем автотрансформатором. Трансформаторы, предназна-
чеНные для работы в сетях с rлухозаземленными нейтра-
ЛЯМИ, по технико-экономическим соображениям обычно
ИМеют пониженную изоляцию. Однако в сетях преимуще-
СТвенно напряжением 110 кВ с rлухозаземленными нейт-
ралями часто используется такое частичное их заземление,
433
которое допускает изоляция трансформаторов у нейтрали
рассчитанная на уровень 35 кВ. У таких трансформаторо
в случае их питания со стороны друrих напряжений воз.
можно возникновение опасных перенапряжений. Так, при
К(1) на шинах станции (рис. 13.3) и ликвидации КЗ защи-
тами присоединенных К, ним элементов первыми MorYT
отключиться части системы с заземленными нейтралями
и может остаться в работе блок с изолированной нейтра.
лью. В этом случае MorYT возникнуть недопустимые пере-
напряжения, определяемые перемежающейся дуrой емко-
cTHoro тока. Поэтому необходимо предусматривать устрой-
-=-
Рис. 13.3. Возможный случай ликвидации повреждения в сети с частич-
ио заземленными иейтралями (зачернениыми показаны выключатели,
отключенные при К3 на землю в точке К)
ства, исключающие возможность появления таких режи-
мов или в крайнем случае обеспечивающие их немедлен-
ную ликвидацию.
Ненормальные режимы (повышения напряжения) воз-
никают также при одностороннем отключении линии с
большой емкостной проводимостью, например при Ином:;Р
:;р500 кВ. Они также должны ликвидироваться соответст-
вующими устройствами защиты или противоаварийной ав-
томатики.
13.4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРИМЕНЯЕМЫХ ЗАЩИТ
Защита мощных трансформаторов и автотрансформа-
торов от внутренних КЗ осуществляется продольными диф-
ференциальными токовыми, а от повреждений внутри ба-
ка также и rазовыми защитами. Предлаrавшиеся, напри-
мер rорьковским отделением ТЭП, специальные защиты
от витковых КЗ, а также защиты, реаrирующие на пото-
ки рассеяния маrнитопроводов (ЧПИ), по разным причи-
нам распространения не получили.
434
Трансформаторы небольшой Мощности иноrда защи-
шзются более простым и ступенчатыми токовыми защита-
ми в сочетании с rазовыми, а трансформаторы малой мощ-
ности только токовыми защитами. Иноrда применяются
также (в основном в зарубежной практике) токовые за-
шиты, включаемые в заземляющий провод кожуха, дейст-
вующие при перекрытии фаз на последний. Защиты от
внешнИХ КЗ выполняются токовыми, токовыми направлен-
ными разных испол ений, в том числе обратной и нулевой
последовательностеи, а иноrда и дистанционными от мно-
rофазных КЗ.
13.5. ДИФфЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ
Общие вопросы осуществления. По принципу действия
защита подобна дифференциальным защитам друrих эле-
ментов, например reHepaTopoB. Однако ее осуществление
связано с целым рядом дополните.71ЬНЫХ факторов, требу-
ющих учета.
Защита в отличие от случая ее применения для reHe-
раторов принципиально может реаrировать на витковые
КЗ в одной фазе (K 1), так как они характеризуются не-
равенством комплексов токов /к с двух сторон от места
повреждения. Однако эти комплексы бывают одинаково
направлены (имеют сдвиr по фазе, равный нулю), и по-
этому считалось нецелесообразным осуществлять их срав-
нение в схеме по фазе. Возможно выполнять защиты са-
мостоятельно для каждой из обмоток или иметь одну за-
щиту, охватывающую все обмотки. На практике, как пра-
вило, применяется последний вариант, так как некоторые
Исполнения первоrо не обеспечивают реаrирования защи-
ты на K I) и требуют значительно большеrо числа ИО и
ТА. С друrой стороны, общие защиты требуют отстройки
от бросков намаrничивающих токов, которые воспринима-
Ются ми как внутренние КЗ. Существует еще ряд особен-
ностеи, требующих учета:
1) сдвиr по фазе сравниваемых токов фаз при отсутст-
ии повреждения в защищаемой зоне, определяемый ис-
ОЛЬзованием rрупп соединений обмоток отличных от О
или 12 (в отечественной практике обыч о применяется
Одиннадцатая rруппа, обусловливающая сдвиr в 300);
JI 2) неравенство в том же режиме токов плеч, опреде-
яемое т А, установленными со сторон с разными ином;
28*
435
На отlrлючеНЦfi>
а)
А 8 [
а Ь [
А 8 [
На отключеНil€!
1-
,.
Рис. 13.4. Совмещенные структурные схемы дифференциадьных защит
трансформаторов (а и б) и варианты схемы (8 и е)
а Ь [
3) возможное наличие реrулирования n т под наrруз-
кой.
Схемы выполнения. Общие особенности выполнения за-
щит рассматриваются на примерах их осуществления для
двухобмоточных трансформаторов со схемой соединения
обмоток У/Д-ll. На рис. 13.4, а приведена совмещенная
структурная схема, предполаrающая использование защи
ты с торможением от токов плеч, на рис. 13.4, б схема,
в которой отстройка от любых токов небаланса I Нб осу-
436
1ll.ествляется только в дифференциальной цепи защиты.
Для выравнивания токов плеч по фазе вторичные обмот-
ки Т А с одной из сторон (принципиально безразлично, с
какоЙ) соединяются в треуrольник, а с друrой в звезду.
Практически в треуrольник соединяются Т А со стороны
звезды для ИСЮJючения неправильных срабатываний защи-
ты трансформатора, имеющеrо зазеМ,l1ение нейтрали, при
внеШНИХ К3 на землю. При таком соединении оБМОТОI<
трансформатора с учетом соотношений rл. 1 имеем I. Ад ==
== (1Ау Iву)nт/VЗ, ! вд (!вy cY)nT/V3 и !сд == ( cy
iAY )nJl/3.
Эти соотношения показывают, что должно осуществ
ляться сравнение токов JAJI. с JAY, {в Д С !ВУ И !СД с !су
сдвинутых в симметричном режиме на уrол 300. При соот-
ветствии rруппы соединения Т А 'rруппе соединений обмо
ток защищаемоrо трансформатора токи в плечах защиты
по фазе выравниваются. Д,'!я понижающих трансформа-
торов небольшой мощности иноrда, например при втором
варианте защиты (рис. 13.4,6), используют схему с умень-
шенным числом Т А и НО двумя Т А СО стороны низшеrо
напряжения, соединенными в неполную звезду, и двумя
НО (рис. .13.4, е). При этом нерекомендуемой является
схема с тремя Но и двумя Т А, в которой, как показали
опыт и исследования, в но, находящемся в условиях, от-
личных от двух друrих, MorYT проходить повышенные J нб
(10, 48]. При соединении обмоток трансформатора У/У,
связывающеrо части системы, rде отсутствуют К(1), ис-
пользуются также двухфазные двухрелейные схемы за-
щиты.
Для исключения необходимости выравнивания токов
плеч по фазе может быть применена также схема, в кото-
рой Т А СО стороны треуrольника включаются не на ero
выводах, а на токи в обмотках (рис. 13.4, в). Такая схема
в нашей стране используется для мощных однофазных aB
тотрансформаторов, имеющих встроенные в баки ТА. При
этом не требуется соединЯТЬ Т А в треуrольник со стороны
обмотки, соединенной в звезду. Преимуществом схемы явля-
ется независимость сравниваемых токов каждой фазы со
стороны звезды от токов двух друrих фаз, что имеет место
при соединении Т А в треуrольник и может ухудшать ра-
боту некоторых типов дифференциальных защит.
Для выравнивания абсолютных значений токов плеч
в них включаются автотрансформаторы тока или иноrда
437
осуществляется выравнивание в самих ИО значений вели
чин (например, МДС), пропорциональных этим токам. За
щищаемые трансформаторы обычно имеют реrулирование
n т (за исключением блочных повышающих трансформато
ров, в которых реrулирование напряжения осуществляется
на reHepaTope). При реrулировании на отключенном TpaHC
форматоре обычно Иреr..;;:0,05 Ином и может не учитывать
ся, если, например, одновременно перестраивается защита.
При встроенном реrУЛИРОВ,ании под наrрузкой возможно
SИ реr ..;;:0,15+0,2 Ином и ero наличие, изменяя соотношение
токов плеч, влияет на выбор схемы.
Каждая из rрупп Т А отдельно подводится к ИО. Их
заземление осуществляется в одной точке у места вклю
чения ИО. Раздельное заземление в данном случае COBep
шенно неДОПУСТ!lМО, так как приводи,тlO бы к закорачива
нию вторичных обмоток ТА.
Первичные токи небаланса. Изложенное показывает,
что в дифференциальных защитах трансформаторов aB-.
тотрансформаторов) токи небаланса определяются боль
шим числом факторов, чем в аналоrичных защитах reHe-
раторов, и имеют соответственно повышенные значения.
Для упрощения предполаrаем, что все слаrающие склады
ваются арифметически, имеем lнб,п==lнбе +lНб,Реr+lНб,выр+
+ lнб,нам, rде составляющие lНб,п определяются: lНбе ==
==kаперkоднвlвнтах поrрешностями в Т А с наибольшим
k одн == 1 и максимальным внешним током [внтах (сквозно
ro КЗ или качаний); lнб,реr== ИреrIвнтах реrулированием
n т ; lнб,выр == fBbIplBH тах неточностью fBbIP токов плеч или
величин, им пропорциональных; lнб,нам наличием HaMar
ничивающеrо тока у трансформатора, воспринимаемоrо
защитой как ток BHYTpeHHero повреждения. В результате
lнб п== (kаперkОДНВ+ ИРеr+ fвыр)lвнтах+lнам, Приведенное
выражение подчеркивает полезность схемы по рис. 13.4, а,
имеющей торможение, определяемое наличием при сквоз
ном КЗ тока [ТОРМ, пропорциональноrо [вн. С друrой сто-
роны, желательно, чтобы торможение отс у тств 1 овало или
было мало при внутренних КЗ, особенно при K ), коrда по
поврежденной фазе MorYT проходить значительные сквоз
ные токи.
Броски намаrничивающих токов. При нормальной ра-
боте значения намаrничивающих токов [нам при современ-
ных марках трансформаторной стали обычно не превос-
ходят 0,01 +0,02 [НОМ, и с ними можно не считаться. Иск-
лючением являются только режимы с повышенными против
438
номинальноrо напряжениями. В этом случае при вы-
боре параметров чувствительных защит приходится иноr-
да учитывать значительно возрастающие [нам,
Ток [нам может резко возрастать при включениях транс-
форматоров (автотрансформаторов) под напряжение или
после отключения внешних КЗ, сопровождавшихся значи-
тельным снижением остаточных напряжений. В таких слу-
чаях возникают броски iнам,бр, которые MorYT достиrать
значений 6+ 8 [ном,т. При этом следует учитывать, что для
автотрансформаторов под [нам понимается ток, соответст-
вующий типовой (а не большей ее проходной) мощности,
определяющей размеры маrнитопровода.
Рассмотрим (условно) включение однофазноrо транс-
форматора при переходе MrHoBeHHoro значения напряже-
ния питания u через нуль. Практически включение проис-
ходит при U=FO, и процесс имеет более сложный характер.
Поскольку установившийся поток Ф уст проходил бы при
этом через максимальное значение Ф т уст, а результирую-
щий поток Фрез не может изменяться скачком, возникает
свободная апериодическая слаrающая, максимальное зна-
чение которой Ф т апер == Фт уст; в результате этоrо кривая
Фрез==Фуст+Фапер оказывается смещенной относительно
оси времени и ее максимальная амплитуда достиrает зна-
чений, близких к 2Ф т уст (рис. 13.5). Если же учесть воз-
можное наличие остаточной индукции с неблаrоприятным
знаком, то при включении возникают дополнительные за-
тухающие слаrающие потоков и ФРез будет еще больше.
Поток ФРез тах может значительно превышать рабочий, а
при учете Toro, что маrнитопроводы рассчитываются для
работы с большими индукциями, близкими к переrибу
кривой намаrничивания, маrнитопровод насыщается и
i Harvr , возрастая сильнее потока, кратковременно достиrает
ер
Е нам , ар
C<.!t
t
Рис. 13.6. Изменение iнам,БР во Bpe
мени для однофазноrо трансфор-
матора
Рис. 13.5. Изменение потока при включении
439
lнйм
"<
L
t:I
'"
......
cvl1
Z7L cvt
r.иt z
о
Рис. 13.7. Кривая броска i HaM за
один период (2л:)
Рис 13.8. Изменение iнам.БР во вре.
MeH для трехфазноrо трансфор'
матора
очень больших значений, практически полностью смещен-
ных относительно оси ординат (рис. 13.6). Однако они
обычно оказываются меньшими максимальных переходных
токов сквозных 1\З. Токи iнам,бр во времени убывают, сни-
жаясь до весьма малых значений в установившемся режи-
ме; однако снижение iнам,бр проходит значительно медлен-
нее, чем снижение тока 1\З i K , так как постоянные времени
T==L/R цепи с i HaM обычно значительно больше постоянных
времени цепи 1\З.
Выявление слаrающих тока iнам,бр может осуществ-
ляться разными методами. Трудности точных расчетов
определяются тем, что кроме апериодической слаrающей
в токах iнам,бр содержатся знакопеременные затухающие
слаrающие, очень часто неточно называемые rармониками.
Применительно к такому случаю, как отмечалось выше,
непосредственно не вполне приrодны математические ме-
тоды разложения в ряд Фурье, использование преобразо-
вания Фурье в виде текущеrо спектра (см. rл. 1) и подоб-
ные им приемы rармоническоrо анализа. Однако для уп-
рощения такими приемами часто пользуются. При таком
допущении, как показано в [7], анализ удобно проводит ,
заменяя кривую намаrничивания стали ломанои линиеи.
Ток i HaM В относительных единицах определяется по выра-
жениям iнам,бр == О или iнам,бр == cos (j)t cos D/2, rде D ши-
*
рина импульса тока (рис. 13.7). Рассмотрение этих выра-
440
жений и их представление на рис. 13.7 за один период
2n дает возможность сделать следующие выводы:
1) однополярный iнам,бр В пределах периода имеет один
максимуМ, в то время как определяющее ero рабочее на-
пряжение (а следовательно, и ток) два максимума;
2) iнам,бр==О при 0-<(j)t-<(j)t 1 И (j)t 2 -<(j)t-<2n.
Таким образом, в пределах каждоrо периода в отличие
от синусоидальных величин существуют бестоковые паузы,
в пределах которых iнам,бр теоретически отсутствует. Раз-
ложение кривой iHaM,(\p показывает, что в ней, как указы-
валось выше, помимо основной слаrающей. содержатся
значительная апериодическая слаrающая и знакоперемен-
ная слаrающая двойной частоты (100 rц), в пределах ре-
альных оснований D не обращающаяся в нуль. Слаrаю-
щие более высоких частот имеют значительно меньшие зна-
чения или вообще отсутствуют. Возможное соотношение
всех слаrающих приведено в табл. 13.1 [72].
В установившемся режиме ток /Нб также несинусоида-
лен, но является уже периодической функцией. Входящие
в Hero rармоники, как указывалось в rл. 9 и 12, иноrда ис-
пользуются в защитах от K l).
Большие теоретические и экспериментальные работы
по определению значений бросков были, как указывалось
в rл. 1, проведены в НПИ (А. Д. Дроздовым и др.) и за
рубежом. Эти работы дали возможность подойти к анали-
тическому определению максимальных значений бросков
В общем виде их предлаrается определять (см. rл. 1) по
выражению iнам,бр тax==C ) U Ра б/[VЗ(Х С + Хт,Н)], [де xc-
эквивалентное сопротивление питающей системы, а XT,H
сопротивление защищаемоrо трансформатора в условиях
насыщения ero маrнитопровода. Значения коэффициента
броска с J ) обоснованы в [36].
В трехфазных трансформаторах вид переходных iНб,бр
оказывается друrим из-за взаимноrо влияния фаз. С ис-
пользованием общеrо подхода была выявлена известная
и ранее возможность появления в одной из фаз знакопе-
peMeHHoro тока, а в двух друrих токов с апериодически-
ми встречно направленными слаrающими. При этом форма
iнб,бр зависит от rруппы соединения обмоток и разно-
временности включения фаз. Знакопеременный iнб,бр быва-
ет меньше paccMoTpeHHoro выше, но все же может дости-
raTD 1...;- 2 / нам,т, имеет знакопеременную слаrающую двой-
441
ной частоты и некоторые бестоковые паузы. Примерный
вид i б бр для этоrо случая приведен на рис. 13.8 (см., на-
прим:Р', [48]), а также был дан в rл. 1 (см. рис. 1.54).
Таблица 13.1
Составляющие броска lнам,БIJ,
I Отношение амr1Лrпуд составляющих
к основной rармонике, %
Основная rармоника
Апериодическая
Втораи rармоника
Третьи rармоника
Четвертая rармоника
Пятаи rармоника
Шестая rармоника
Седьмаи rармоника
100
57,7
63
26,8
5,1
4,1
3,7
2,4
При м е ч а и и е. Под высшими rармониками здесь следует понимать зна-
копеременные заТухающие составляющие, имеющие постоянные периоды (см.
rл. 1).
Принципы отстройки ОТ iнб,бр' Поскольку броски воздuей-
ствуют на защиту как токи BHYTpeHHHero К3, отстроику
от них наиболее целесообразно выполнять, используя не-
синусоидальный вид кривой iнб,бР, отличный от вида кри-
вой тока К3 i K . При этом, однако, следует учитывать, что
как iнб,бр, так и i K MorYT содержа ь апериодические слаrа-
ющие (затухающие, однако, при t K значительно быстрее),
а также то, что вторичные i K за счет трансфciрмации их
т А при больших кратностях токов К3 MorYT иметь, как и
iнб,бр, бестоковые паузы (см. rл: 3); кроме u Toro, при на-
сыщении за счет апериодическои слаrающеи I K в них со-
держатся и слаrающие дв,?йной частоты.. Все это в ряде
случаев усложняет отстроику защит от tнб,бр и оrран чи-
вает области применения отдельных вариантов отстроики.
За последние десятилетия за рубежом и в СССР было
разработано MHoro способов отстройки. Разработки 30-х,
начала 40-х rодов были обобщены в [72]. Они в основном
базировались на электромеханической элементной баз
Исторически первой и в н стоящее время непр емлемои
была отстройка выдержкои времени, создаваемои реле с
зависимыми или независимыми выдержками времени.
В начале 30-х rодов во Франции было предложено исполь-
зование слаrающих двойной частоты. Они MorYT быть при-
менены для блокирования или создания специальноrо за-
442
rрубления; в настоящее время этот способ широко приме-
няется в зарубежной практике часто в сочетании с
дифференциальной токовой отсечкой, резервирующей ОТ-
ключение КЗ при 1 к, обусловливающих появление значи-
тельных слаrающих двойной частоты. Было предложено
MHoro вариантов блокировок, использующих реле напря-
жения. Все они оказались неэффективными, частично из-
за нечеткости работы при бросках, возникающих при вос-
становлении напряжения после отключения внешних К3.
В конце 30-х [одов в rермании была предложена схема
с включением ИО тока через так называемый быстрона-
сыщающийся промежуточный Т ALT, плохо трансформи-
рующий апериодическую слаrающую iнб,бр, однако из-за
неудачно выбиравшихся расчетных индукций Т ALT при
срабатывании она была недостаточно эффективна. В оте-
чественной Практике, как указывалось в rл. 8 и 12, данная
схема получила широкое распространение также для от-
стройки от переходных значений I Нб при сквозных КЗ с
примен нием в ней Т ALT усиленноrо действия. Косвенно
свойства схемы используются и в защитах с маrнитным
торможением.
Необходимо отметить, что и некоторые друrие рассмат-
риваемые ниже способы отстройки от iнб,бР обеспечивают
в известной мере и отстройку от переходных i Нб при внеш-
них К3, однако часто не очень эффективно и недостаточно
обоснованно.
В начале 40-х rодов в rермании и Швейцарии были
разработаны первые защиты, использующие тот факт, что
максимумы тока при бросках возникают 1 раз за период,
а тока i K 2 раза, т. е. бестоковые паузы на определенном
уровне измерения при бросках MorYT быть значительно
больше, чем при КЗ. Реализация этоrо предложения на
электромеханической элементной базе была не очень эф-
фективной. Будучи ориrинально использованным в СССР
на новой элементной базе, способ дал возможность соз-
дать отстройку защиты от iнб,бр, получившую У нас широ-
кое применение (см. 13.6). Были предложены и друrие
способы отстройки, например сравнение значений полу-
волн ТОков Противоположных знаков. Из предложений,
сделанных и проработанных в последующие rоды на более
проrрессивных элементных базах, следует отметить раз-
работку начала 60-х rодов кафедры РЗиА МЭИ (Н. И. Ов-
чаренко, М. Х. Салех Еrипет, Х. Л. Дмитриев и
в. [. Дороrунцев), предложившей ориrинальное решение
443
отстройки [48]. Она основана на выпрямлении дифферен-
циальноrо тока и выделении из Hero постоянной слаrаю-
щеЙ и слаrающей промышленной частоты. Оказалось, что
слаrающие промышленной частоты выпрямленноrо диффе-
ренциальноrо тока MorYT быть использованы для блоки-
ровки дифференциальной защиты при iНб,бр. Исследования
и разработки, проведенн е чrу (А. М. Дмитренко), по-
казали, что на этом ПРИlщипе, используя выпрямленную
производную дифференциальноrо тока, может быть созда-
на на современной микроэлектронной базе интересная
время-импульсная схема относительно быстродействую-
щей защиты, получившей промышленную реализацию (см"
например, [48]).
Торможение от токов плеч, создавая зрrрубление за-
щиты, может также несколько улучшать отстройку от пе-
реходных iНб при сквозных 1(3, поскольку их значения воз-
растают с возрастанием сквозных l к , а последние опреде-
ляют 1 торм. Необходимо, однако, отметить, что даже луч-
шие разработки, обеспечивая определенную отстройку от
iнб,бр И переходных токов небаланса, не дали возможности
в отечественной практике получать l с ,зтin трансформато-
ров меньше примерно 0,3-+-0,71 ном ,т, в то время как было бы
желательно (например, для мощных автотрансформато-
ров) иметь их равными 0,1-+-0,151 ном ,т. Таким образом,
пока нельзя считать проблему создания высокочувстви-
тельных дифференциальных защит трансформаторов пол-
ностью разрешенной. Исключением является реализован-
ная только для повышающих трансформаторов (но не ав-
тотрансформаторов) защита от K l), разработанная НПИ
(А. С. 3асыпкин) и основанная на сравнении токов в парал-
лельных ветвях обмотки, специально для этоrо имеющих
отдельные выводы [71].
Необходимо отметить, что в СССР в конце 30-х [одов
была предложена и далее получила с 40-х [одов по иници-
ативе rлавноrо техническоrо управления Минэнерrо
(И. А. Сыромятников) широкое применение rрубая диф-
ференциальная защита без выдержки времени, отстройка
которой от iнб,бр И lнбтах при сквозных 1(3 осуществляется
-только по току срабатывания обычноrо opraHa тока. Та-
'кая защита по аналоrии с токовыми отсечками линии (см.
rл. 5) была названа дuфференцuалыюй токов отсечкой,
Она использовал ась на понижающих трансформаторах не-
,большой мощности, не имеющих реrулирования напряже-
ния под наrрузкой. В настоящее время ее довольно часто
,;144
ПРJlменяют в СССР и за рубежом как вспомоrательную к
основным чувствите.'IЬНЫМ, но значительно более сложным
дифференциальным защитам, которые по некоторым от-
меченным выше причинам MorYT отказывать при внутрен-
них 1(3, сопровождающихся большими кратностями 1
Выбор парамеТРО8, оценка и области применения. К Вы _
бор параметров и стрУКтурных схем (см. рис. 13.4) опре-
деляется принципами, принятыми для Отстройки от расчет-
ных токов небаланса. Для дифференциальных токовых от-
сечек с выравненными (но без автотрансформаторов)
сравниваемыми токами плеч (см. рис. 13.4, б) при доста-
точно инерционных старых исполнениях электромеханичес-
ких реле тока удавалось пол у чать 1 "' 3 5 --'-- 4 51
С,З"""'" , . , НОМ,Т, а
иноrда и Me ee. Для новых исполнений ИО тока lс,з MorYT
достиrать 6--. 81 ном ,т, что уже мало приемлемо. При приме-
не ии opraHOB тока с насыщающимися т AL усиленноrо
деиствия, имеющими уравнительные обмотки, обеспечива-
ющие при нормальной работе 121 (WУРI+Wраб) ==J 2II (W YP II+
+ WРаб), удается иметь по схеме на рис. 13.4, б lс 3 1-+-
1,21 ном ,т. Для защит с маrнитным торможением ( o схе-
ме на рис. 13.4, ) lс,зтin I,51ном,т, что делает защиту
мало приемлемои. Имелось, как отмечалось выше пред-
ложение НПИ по повышению чувствительности э;ой за-
щиты, однако в СВязи с переходом на новую элементную
базу оно промышленностью не было реализовано. у новых
дифференциальных токовых защит с торможением от T -
ков. плеч (рис. 13.4, а), имеющих специальную отстройку
от lнб,бр И частично от переходных iнб при внешних 1(3 (см.
Э 13.6), Iс,зтin 0,3-+-0,71номт,
В настоящее время диф'ференциальные токовые защи-
ты разных Исполнений, но обязательно без выдержек вре-
мени, применяются как основные практически для всех
втотрансформаторов и трансформаторов мощностью
ольше 4000 кВ. А и даже больше 1000 кВ. А, если токо-
вые ступенчатые защиты не обеспечивают коэффициента
ЧУвствительности kч -2 при 1(3 на выводах низшеrо напря-
Жения или имеют при этом неприемлемую выдержку В р е-
мени.
Недостаточная чувствительность дифференциальных
защит при внутренних 1(3 с малым числом замкнувшихея
витков допускается с учетом наличия rазовых защит (см
Э 13.8), которые обычно ликвидируют такие повреждения:
445
13.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С КОМПЛЕКСНОЙ OT
СТРОЙКОЙ ОТ ТОКОВ НЕБАЛАНСА
Рассматривается внедренная в серийное производство и
эксплуатацию схема, разработанная ВНИИР (А. М. Дмит
риенко) применительно к защите мощных трансформато-
ров и автотрансформаторов. В основу ее осуществления
положены рассмотренные выше принципы отстройки от
бросков iНб,бр переходных и установившихся токов неба-
ланса при сквозных К3. Использование более современной
элементной базы дало возможность внести в защиту HeKO
торые принципиально новые улучшения.
i i t.L\j A .
(,р t t
i t 1\ 1\ /\ f\ f\ а) t
'с , Р 'l- V J.J JJ },J \: bh ппп
t t
о)
Рис. 13.9. Паузы, получающиеся в выпрямленных i иам ,6Р (а) и токах в
дифференциальной цепи при внутрениих К3 (6)
Основные положения по осуществлению. Для отстрой
ки от токов небаланса использованы четыре в принципе
известных (см. 13.5) способа: использование положения
о том, что при бросках намаrничивающеrо тока за период
появляется только один максимум iнб,бр, а при К3 их бывает
два, что обусловливает разные бестоковые паузы при опре
деленном конечном значении токов; использование наличия
в iнб,бр составляющей двойной частоты, которая обычно OT
сутствует в первичных токах К3; отстройка от любых iнб
выбором I с ,з (токовая отсечка) 'и, наконец, применение
торможения от токов плеч, особенно полезноrо при нали
чии BCTpoeHHoro реtулирования п т под наrрузкой, но даю
щеrо некоторый положительный эффект и при отстройке
от переходных iнб при сквозных К3. Целесообразность
первоro способа отстройки иллюстрируют соотношения,
приведенные на рис. 13.9, а и б. При броске iнб,бр получа
ются паузы t 1п значительно б6льшие, чем t 2п при BHYTpeH
них выпрямленных токах К3 i K , если предположить i K си
446
нусоидальными. В действительности при трансформации
и насыщении Т А токи iHaM,B MorYT иметь в течение периода
некоторые не явно выраженные паузы с небольшим зату
ханием отрицательных пОЛуволн (рис. 13.10, в). Для улуч
шения работы схемы в этих условиях (создания необходи
мой бестоковой паузы) в схему введено дифференцирова
иие тока I K , осуществляемое трансреактором, включаемым
в дифференциальную цепь. ЭТО дифференцирование может
быть полезно также для подчеркивания значений COCTaB
ляющих двойной частоты iнб,бр, используемых для BToporo
способа отстройки от iнб,бр, создающеrо дополнительное
торможение. Трансреактор плохо трансформирует и апе
риодические слаrающие токов небаланса. Поэтому ero ис
ользование полезно также для отстройки от переходных
lнб и для уменьшения времени срабатывания защиты при
внутренних К3. Третий способ отстройки использова
ние дифференциальной тоКовой отсечки обеспечивает
срабатывание защиты при больших кратностях токов 1 к
,внутренних К3, коrда торможение от слаrающих двойной
частоты моrло бы недопустимо заrрублять защиту. TOpMO
жение u от токов плеч (четвертый способ) осуществляется
суммои выпрямленных токов плеч через специальный фор
мирователь, создающий ток смещения, пропорциональный
тормозному току; при этом для обеспечения работы за
щиты без торможения (с I с ,зтin) при небольших токах в
фазах в случаях K ) последовательно в тормозную цепь
Включается стабилитрон.
Использование современной элементной базы позволи
ло также применить время импульсный способ сравнения,
широко используемый в настоящее время для выполнения
разных защит, но со своеобразным схемным решением.
u Выполнение схемы. Упрощенная структурная одноли
неиная схема защиты, достаточная только для выявления
ее основных рассмотренных особенностей, приведена на
рис. 13.10, а. Там же (рис. 13.10, б) дана результирующая
характеристика защиты I с ,з ==1 с,зтin+kторм (IToPM 1 торм,нач).
Общая оценка защиты. Рассмотренная схема учитыва
ет мноrие факторы, которые должны обеспечивать ее эф
фективное функционирование. Однако она получилась
достаточно сложной и имеющей все же некоторые Heдo
статки, к которым можно отнести по данным опыта экс-
плуатации: иноrда недостаточно полноценную отстройку
от переходных i Нб при сквозных К3, обусловленную тем,
что она осуществляется способом, предназначенным в ос-
447
[ CJ1
(\. <)
,,\\
\.<.{
к исполнитель
нон!! opzaHif
реле
t::
.
со.
........
lТОРМ,НIlЧ ITDpH
i HIlM,B о)
+Lнllм,бтах iflIlM.Bтa)(
8)
а)
t
Рис. 13.10. Совмещенная структурная схема дифференциальной токовой
защиты с время-импульсноЙ отстроЙкоЙ от переходных токов небалан-
са !I торможением (а), ее характеристика JC,p f(lTOPM) (6) и кривая
броска iHaM,B, трансформированноrо r лубоконасыщенным ТА (в)
НОВНОМ для предотвращения действия защиты при брос-
ках iнб,бр; несоrласованность по чувствительности токовой
отсечки и, например, устройства, использующеrо торможе-
ние от слаrающих двойной частоты (желательно было бы
иметь у отсечки ток срабатывания, меньший принятоrо в
защите). Поэтому на практике получают распространение,
например для понижающих трансформаторов средней
мощности, и более простые схемы, среди которых следует
отметить разработанную чrу (А. М. Дмитриенко) схему
с торможением от составляющих промышленной частоты
выпрямленной производной дифференциальноrо тока (см.
13.5).
В целом следует констатировать, что создание полно-
ценной высокочувствительной защиты требует дальнейших
исследований и разработок.
13.7. ОСОБЕННОСТИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
С ЧИСЛОМ rрупп Т А БОЛЬШЕ ДВУХ
Такие случаи возникают при осуществлении защит ав-
тотрансформаторов, трехобмоточных трансформаторов,
а также присоединении их сторон к системе, например че-
рез два выключателя.
Соrласно общим условиям выполнения дифференци-
448
альных защит (см. rл. 8) ее ТА, оrраничивающие
щаемую зону, должны устанавливаться со всех
соединений защищаемоrо элемента с остальной
системы.
Соединение всех Т А защиты между собой должно обес-
печивать отсутствие тока в дифференциальной цепи защи-
ты во всех режимах, если нет К,З в защищаемой зоне.
Для этоrо кроме рассмотренных выше выравниваниЙ
сравниваемых токов плеч по фазе и абсолютному значе-
нию все расчеты необходимо производить, исходя из од-
ной и той же мощности вне зависимости от реальных мощ-
ностей ветвей защищаемоrо элемента.
Токи небаланса в рассматриваемой защите часто боль-
ше, чем для защит трансформаторов с двумя rруппами ТА.
Это прежде Bcero определяется возможными повышенны-
ми кратностями токов сквозных' К,З за счет прохождения
через т А, расположенные со стороны внешнеrо К,З, суммы
токов друrих сторон (например, трехобмоточноrо транс-
форматора с тремя выключателями) и отсутствия оrрани-
чения слаrающих токов реактивностью защищаемоrо эле-
мента при присоединении к шинам со стороны питания
через несколько (например, два) выключателей. Поэтому
защиты, как правило, имеют торможение от токов плеч.'
защи-
сторон
частью
Topfo!o:JНaF1
система
Ра 00'10 Ft
Рис. J 3. J J. Совмещенная структурная схема дифференциальноЙ токовой
защиты с торможением на выпрямлеииых токах с тремя тормозными
система ми
29 855
449
Значительное увеличение числа тормозных систем у элек-
тромеханических реле вызывало трудности. Принципиаль-
но лучшие результаты были получены при использовании
мноrополюсных индукционных систем [3]. Практическое
применение имели и реле с маrнИтным торможением с не-
сколькими тормозными системами по разработке НПИ
(А. Д. Дроздов и др., см., например, [10]). Проще и эффек-
тивнее вопрос решается при использовании торможения
от выпрямленных токов плеч (рис. 13.11). Это торможение
может производиться от тока одноrо плеча с J К,витах или от
арифметической суммы выпрямленных токов плеч. Второй
вариант считается предпочтительным. В нем торможение
характеризуется выражением kTOPMl1 1 KII + kTOPMlI1 1 квl +...
... +kToPMn I Iкn I == kторм.эl К,витах, rде kто;м,э эквиваЛентнЫй
коэффициёнт торможения (введен А. [. [еворковым),
СРЗиУ ТЭП). В целях упрощения часто принимаются
kTOPMI ==kтормп== ... ===kTOPMп. Для этоrо случая получаем
На отНЛЮЧF?нuе
lЭ.1, lЭ.2,lЭ.J
TA,8cтpOF?HHbIe
80 т!JЛI({.l т
Рис. 13.12. Совмещенная структурная схема дифференциальной токовой
защиты ошиновки
450
k торм ,э==2 k TOPM ' Выбор одинаковых k TOPM имеет тот недо-
статок, что может без надобности заrрублять защиту при
некоторых внутренних к.3.
Для облеrчения осуществления защит трансформато-
ров (автотрансформаторов) с неско ькими выключателя-
ми на одном из высоких напряжении оrраничивают защи-
щаемую ими зону Т А, встроенными во втулки трансформа-
торов со стороны указанноrо напряжения. При этом
внешняя часть втулок трансформаторов (автотран:форма-
торов) вместе с соединениями до Т А ыключатuелеи защи;
щается отдельной дифференциальнои токовои защитои
(рис. 13.12), называемой защитой ошиновки. Она осуще-
ствляется, как рассмотренные выше защиты шин (см rл.
11). Такое выполнение бывает полезным и по друrим при-
чинам, например при отсоединенном через разъединитель
трансформаторе (автотрансформаторе) для проверки, ре-
монта дает возможность сохранять в работе всю схему
соединений (оставлять включенными все выключатели).
13.8. r АЗОВАЯ ЗАЩИТА
Общие данные. Баки трансформаторов и автотранс-
форматоров заполняются маслом, которое используется
как для целей изоляции, так и охлаждения. Бак снабжа-
ется расширителем (рис. 13.13), воздушный объем в верх-
ней части KOToporo сообщается с атмосферой. Бак часто
имеет также rерметически закрытую мембраной выхлоп-
ную трубу, предохраняющую ero от механических дефор-
маций при взрывообразных выделениях rаза.
к.орпус 2азовО20 реле врезается в маслопровод между
крышкой бака и расширителем так, чтобы не препятство-
вать циркуляции масла между ними. rазовой называется
защита, основанная на использовании rазов, возникающих
в результате разложения масла и друrих изолирующих
материалов под действием электрической дуrи и друrих
факторов (например «пожара» стали маrнитопровода).
Интенсивность rазообразования зависит от характера и
размеров повреждения. rаз, образующийся при повреж-
дениях, может использоваться путем установления объ-
ема rаза или быстроты ero образования, косвенно опреде-
ляемой скоростью движения масла в трубопроводе к рас-
ширителю. Обычно применяются оба способа. При защите
же трансформаторов малой мощности или встроенных
29*
451
устройств реrулирования напряжения под наrрузкой (раз
мещаются в баке в отдельном кожухе) применяют реле,
реаrирующее только на быстрое выделение rаза.
Реле, осуществляющее rазовую защиту, было предло
жено в конце 20 x rодов в rермании (Бухrольцем). С тех
пор оно в зарубежной литературе обычно называется реле
Бухrольца.
Процессы, проходящие Б маслонаполненном баке рабо
тающеrо трансформатора, MorYT быть достаточно слож
Рис. 13.13. Установка rазовоrо реле на траНСфОР),lаrоре (бак rрансфор
матора и труба к маслорасширителю имеют небольшой, примерно 2 %,
наклон к rоризонту):
1 тазовое реле: 2 ПОДВОД оперативното тока
ными. На них влияют как внешние факторы (внешние К3,
колебания почвы и т. д.), так и внутренние (например, из
менения режимов работы системы охлаждения). Вопросам
разработки конструкций rазовых реле, а также rИДр.одина-
мическим процессам, влияющим на их работу, к сожалению,
у нас не уделялось должноrо внимания. Обобщающих ра-
бот по переходным rидродинамическим процессам в TpaHC
форматорах также мало. Следует только отметить работу
кафедры «Электрические сети и системы» ЧПИ [73], в
которой, в частности, сделана попытка создать электриче
ские модели, имитирующие такие переходные процессы в
трансформаторах и автотрансформаторах. ПО улучшению
действия защиты полезные работы выполнены в Союзтех
452
энерrо, а по разработке улучшенных конструкций релей-
щиками Челябэнерrо (Ф. Ф. Дерюrиным, А. д. Булитко
И др.). В настоящее время в нашей стране широко приме-
няются rазовые реле, выпускаемые в rермании.
Выполнение и работа. Существующие конструкции
имеют два, иноrда три opraHa. Один реаrирует на выделя-
ющийся объем rаза, друrие на скорость прохождения
масла или смеси масла и rаза из бака в расширитель.
Конструкции трех основных исполнений старой, разра-
ботанной в Челябэнерrо и освоенной на заводе, а также
поставляемой из rермании, представлены соответственно
На рис. 13.14, а, б и в (см., например, [66, 73]). Их особен
ности рассматриваются ниже.
6
-1
:J
а)
z 4
в)
рис. 13.14. Принципы выполнения rазовых реле (подвижные элементы
на рис. 13.14, б и в даны в предположении, что корпус реле заполнен
маслом, как на рис. 13.14, а):
1 чашка 1; 2 чашка 2; 3 контакт 1; 4 контакт 2; 5 лопасть; 6 спираль
453
Реаrирующие opraHbI укреплены на осях, BOKpyr KOTO
рых MorYT поворачиваться; верхний opraH предназначен
срабатывать при определенном объеме rаза, скопившеrо
ся в верхней части I<орпуса, и действует на сиrнал, нижний
(или два связанных между собой нижних) при БО.1ЬШОЙ
скорости движения через Hero и действует на отключеl1ие.
OpraHbI выполнены в виде поплавков, представляющих
собой полые металлические цилиндры (рис. 13.14, а) или
полые пластмассовые шарики (рис. 13.14, в), а в KOHCTPYK
цИИ ПО рис. 13.14, б откр ытые сверху чашечки. В двух
последних конструкциях дополнительно к поплавкам YCTa
навливаются лопасти п.1астины, расположенные поперек
движения потока в маслорасширитель и обеспечивающие
эффективное действИе защиты при быстром движении по
тока в расширитель.
Для облеrчения выхода rазов крышка бака и масло-
провод должны иметь по направлению к расширителю He
большой подъем (примерно 2 %). Контакты реле ВЫПОk
няются по разному. В конструкции по рис. 13.14, а онн
расположены в rерметизированных трубках и замыкаются
при срабатывании ртутью, переливающейся в этих труб-
ках. В конструкции по рис. 13.14, б медные контакты рас-
положены непосредственно в чашечках, т. е. работают не-
посредственно в масляной среде. В конструкции по рис.
13.14, в для них применены [ерконы' (rерметизированные
контакты), которые замыкаются под воздействием поля
постоянных маrнитов, перемещаемых поплавками и пово-
ротной пластиной. Выводы от контактов располаrаются
обычно в коробке, расположенной на резервуаре реле.
При нормальной работе резервуар реле заполнен мас-
.'!ОМ, поплавки, лопасти пластины подняты и контакты ре-
ле разомкнуты. При слабом rазообразовании, характери
зующем незначительные повреждения (например, «пожар»
стали), rазы, поднимаясь вверх, скапливаются в верхней
части резервуара, вытесняя из Hero масло. Верхний opraH
начинает опускаться, и ero контакт замыкает цепь сиrна-
лизации. При сильном rазообразовании, характеризующем
серьезные повреждения (например, l( I»), под влиянием
большоrо количества выделяющихся rазов масло интен-
сивно вытесняется в расширитель и опрокидывает своей
струей нижний поплавок или лопасти пластины, КОнтакт
которых замыкает цепь отключения. Верхний поплавок мо-
жет при этом срабатывать позже. В случае сильноrо пони-
жения уровня масла (например. течь в кожухе) реле сра-
454
батывает, заМЫh.ая сначала сиrнальный, а затем и ОТК.ilЮ
чающий контакт. К реле предъявляются жесткие
требования в части вибростойкости, с тем чтобы исклю-
чать возможность их ложных срабатываний при вибраци-
ях возникающих под воздействием электродинамических
ус лий при внешних КЗ, колебаниях почвы и т. д.
Общая оценка и область применения. Защита до по
следнеrо времени являл ась единственной, построенной не
на электрическом ПРИНIIипе действия. Постепенно КОНСт-
рvкции rазовых реле совершенствовались и продолжают
совершенствоваться. Последние их модификации (напри-
мер, по рис. 13.14, в) являются достаточно приемлемыми,
хотя все еще не лишены некоторЫх недостатков. Так, Ha
пример, отмечал ась возможность отказов в срабатывании
при быстром уходе масла из трансформатора, снабженноrо
указанной выше пленочной защитой [73]. Часть практи-
ческих недостатков защиты была также устранена прове
денной Союзтехэнерrо работой, установившей дифферен-
цированный подход к выбору уставок защиты по скоро-
сти движения потока масла в зависимости от мощности
трансформаторов и системы их охлаждения.
Достоинствами rазовОй защиты являются: высокая чув
ствнтельнОСТЬ, позволяющая реаrировать практически на
все опасные повреждения внутри бака; весьма небольшое
для неэлектрическоrо принципа времЯ срабатывания
(O,I 0,15 с) при больших скоростях потока масла. Защи-
та имеет следующие недостатки: значительное время сра-
батывания при медленном rазообразовании, что не позво-
ляет отнести ее к быстродействующим; не реаrирует на
повреждения, возникающие вне бака, но в зоне между
трансформатором и выключателями (на вводных втулках,
соединениях с выключателями), поэтому она не может
быть единственной защитой от внутреннИх повреждений;
при использовании защитЫ в районах с сильными земле-
трясениями, на установках, вблизи которых производят
взрывные работы, и т. п. MorYT возникать затруднения
с выполнением ее действия на отключение; защиту вре-
менно переводяТ действием только на сиrнал при доливке
масла, включении трансформатора в работу после ре-
монта.
В настоящее время rазовая защита используется очень
Широко. Ее применение считается обязательным на всех
трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью вы-
ше 6300 кВ. А, а также мощностью 1000 4000 кВ .А, не
455
имеющИх дифференциа.1ЬНОЙ или друrой быстродействую
щей защиты; на внутрицеховых трансформаторах мощно
стью выше 630 кВ. А нез ависимо от наличия друrих быст
родействующих защит.
13.9. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОй ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
С ЗАЗЕМЛЯЮЩИМ ПРОВОДОМ
Защитой с заземляющим проводОht называется TOKO
вая защита нулевой посл овательности, присоединяемая
к т А, включаемому в цепь провода, который заземляет
металлические конструкции (баки трансформаторов, aBTO
трансформаторов, некоторые виды комплектных распреде-
лительных устройств и т. п.). Для правильноrо функцио-
нирования защиты эти конструкции не должны иметь свя
зей с землей.
ПРИНЦИП действия и выполнение. Действие защиты ос-
новывается на различии значений токов, проходящих по
заземляющему проводу при внешних I\З и перекрытиях
на металлическую конструкцию (например, бак трансфор
матора). В первом случае ток мал, во втором может быть
достаточен ,цля срабатывания защиты. Для отстройки от
случайно проходящих токов, например при возникновении
на конструкции напряжения от вспомоrательных источни
ков, действие защиты иноrда дополнительно контролиру-
ется напряжением нулевой последовательности (см., Ha
пример, [72]).
На рис. 13.15, а приведена заЩИта трансформатора, ра-
ботающеrо в сети с rлухозаземленными нейтралями.
Трансформатор установлен на монолитном железобетон
ном фундаменте, металлические части KOToporo не имеют
связей с заземляющим контуром электроустановки. Ток
срабатывания защиты в соответствии с работами СРЗиУ
ТЭП (r. Т. rpeK и Н. Е. Рибель), в которых учитывается
примерное токораспределение при внешних Юl) и К(1,!)
(рис. 13.15, б), выбирается по выражению lс,з:;:,.kотсkоттахХ
Х (k ToK 31 o )max, rAe kTOK коэффициент токораспределения
дл'я 310u в месте I\З, kOTmax коэффициент отсоса, учиты
вающии часть тока (k ToK 31 o )max, ответвляющеrося на фун-
дамент и далее проходящеrо через заземляющий провод
с Т А защиты. Сопротивления монолитных фундаментов
по экспериментальным данным авторов относительно ве-
лики, и io Tтax иноrда не превышает тысячных долеЙ. Чув-
ствительность защиты определяется по выражению k4
456
, На Ilыхаи"ае 8ы!оа !(
про,.,еж!!тач
i "Оl? lP еле
ПО!( /(Н
..2:.....--:
J/(TOIJOK J(f /(TOK)laк
J Н ОК
Зl<аАаiок
t
t
k заЗ2NЛRЮЩ2Н!!
, конт!!р!!
ЗКотКrокlик I
( ) [)
J/(TDK10!( J 1-КDr)lI'rDк1ОК 3(1-К ток lOK
а)
Рис, ] 3.15. Токовая защита нулевой последовательности с заземляю.
щим проводом:
а принципиальное выполнение н действие при поврежденин трансформатора,
6 поведеиие при I<З на землю в питающей сети
31отiп/lс,з, rAe 31 0miп полньrй ток в месте повреждения.
Оценка и область применения. Защита имеет довольно
широкое применение в ряде стран. В отечественной прак-
тике ее нача.тIИ применять в 50 e roAbI на подстанциях с уп-
рощенными схемами электрических соединений на высшем
напряжении 110 220 кВ, коrда для защиты трансформа-
торов использовались Т А, встроеНные во втулки трансфор
маторов, и защита трансформаторов не моrла реаrиро-
вать на наружные перекрытия этих втулок. Однако широ-
кое использование для фундаментов сборноrо железобе
тона поставило под сомнение эффективность защиты.
В связи с этим в настоящее время она в нашей стране при-
меняется редко, в частности для выявления поврежденноЙ
фазы трехбаковых автотрансформаторов (трансформато-
ров) станций с целью действия основных защит на устроЙ-
ство пожаротушения только одной фазы (см., например,
[65]).
13.10. КОМПЛЕКСНЫЕ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
На понижающих трансформаторах небольшой мощно-
сти, не имеющих дифференциальной защиты, часто ис-
пользуются схемы, сочетающие rазовую защиту с токовой
зашитой, включаемой с питающей стороны и имеющей две
457
ступени 1 (токовая отсечка без выдержки времени) и
111 (максимальная токовая защита); структурная схема
токовой защиты приведена на рис. 13.16. Ток срабатыва
ния 1 ступени отстраивается от К(З) за трансформатором:
I .з==kотсJ ах' Ее чувствительность k ч определяется по
К:З на вводах трансформатора с питающей стороны и бы
вает достаточно большой, .,однако совершенно недостаточ
ной для охвата всех внутренних К:З в баке. Третья ступень
выполняется с независимой или зависимой характеристи
Рис. 13.16. Совмещенная структурная схема двухступенчатой токовой
защиты трансформатора небольшой мощности
кой выдержки времени и имеет назначение дополнять
1 ступень при внутренних повреждениях (прежде Bcero
действовать при К:З на втулках и соединениях до выключа-
теля со стороны низшеrо напряжения), а также являться
защитой от внешних К:З, например на шинах (см. rЛ. 11).
Требуемый для 111 ступени k чтin равен 1,5 2. На TpaHC
форматорах совсем малой мощности 111 ступень при Ma
лых временах срабатывания ( 0,5 с) может являться во-
обще ero единственной защитой.
Некоторые затруднения возникают при осуществлении
токовой защиты понижающих трансформаторов, имеющих
соединение обмоток У/Уа с четырехпроводной системой
380 220 В, имеющей rлухое заземление (рис. 13.17). При
K(l) на землю или нейтральный провод возникает ток 1 (l ,
равный J 1)==3 ИФ!(ХIт+Х2т+ХОт), если пренебречь сопро
тивлением питающей системы.
458
Рис. 13.17. Совмещенная структурная
схема комплексной защиты трансфор ra
тора. работающеrо на сеть 380/220 В.
Сопротивление Хат, задавае
мое заводами изrотовителями II
обусловленное сопротивлением
намаrничивания трансформатора,
MHoro больше X 1T ==X 2T . Так, Ha
пример, по литературным дaH
ным при мощности трансформа
тора 1000 кВ. А XoT",,=,g X 1T . По
этому токи J l) С питающей CTO
роны бывают небольшими, недо-
статочными для действия макси-
мальной токовой защиты. При-
ходится также учитывать их своеобразное распределение
в фазах, затрудняющее применение некоторых двухфазных
схем (см. rл. 1). в связи с этим в начале 30 x rодов в ТЭП
(Б. С. Успенским) был а предложена дополнительная то-
ковая защита нулевой последовательности, питаемая от
т А, ключаемоrо между нейтралью трансформатора и
точкои rлухоrо заземления (рис. 13.17). Ее ток срабаты-
вания от траивается от длительно допустимоrо рабочеrо
тока в неитральном проводе, составляющеrо несколько дe
СЯТКОR процентов l т ,ном, и соrласуется по чувствительности
с параметрами защит питаемой сети.
А
З8Q -zzo В
а
13.11. ЗАЩИТЫ ОТ ВНЕШНИХ КЗ
Назначение и типы защит. Основным назначением за
Щит является отключение внешних К:З в случаях отказа
защит или выключателей смежных элементов. Они исполь
зуются также как основные при отсутствии у шин, на ко-
торые работают трансформаторы (автотрансформаторы),
специальных защит шин (см. rл. 11) и как резервные к ос-
новным защитам трансформаторов от внутренних К:З.
С учетом последнеrо они там, rде это возможно, включа-
ются со стороны OCHoBHoro питания. Защиты часто ВЫПОk
няются токовыми по схемам, частично рассмотренным при-
менительно к защитам reHepaTopoB (см. rл. 12), и в 13.10
применительно к основным защитам понижающих TpaHC
форматоров. Однако при наличии источников питания бо
459
Пl1.таНLlе На Выхоиное Пflоне
. '1l' Ж!fточное реле
+
1
срабатывания которой должен отстраиваться от CYMMapHO
[о тока наrрузок обеих приемных сторон, используется
дополнительный пуск по напряжению, исключающий не.
обходимость отстройки от токов самозапуска (см. rл. 5).
Напряжение для opraHoB напряжения необходимо при
этом подводить от TV стороны низшеrо напряжЕ:НИЯ.
Токовые защиты двухобмоточных повышающих TpaHC
форматоров (рис. 13.19). Часто это трансформаторы до-
статочно большоЙ мощности, работающие со стороны выс-
шеrо напряжения в системе с rлухоза емленными нейтра-
лями (UHoM 1l0 кВ). В рассматриваемом случае исполь-
зуется комплекс защит от внешних К3. Пр.именение для
защиты от мноrофазных повреждений м аксимальной токо-
вой защиты оказывается неприемлемым, так как ее при
шлось бы сильно заrрублять, учитывая возможность ава-
рийных переrрузок. Кроме Toro, она затрудняла бы выбор
параметров последних (III) ступеней токовых защит
обратной последовательности [енераторов (см.rл. 12), пи-
таюших трансформаторов. Поэтому от внешних несиммет-
лее чем с одноЙ стороны они выполняются как токовые
направленные. В последнее время для обеспечения лучше-
[о резервирования, а также облеrчения соrласования по
параметрам с защитами смежных элементов защиты от
внешних мноrофазных К3 иноrда выполняются дистанци-
онными. Ниже рассматриваются некоторые типичные слу-
чаи осуществления защит.
Максимальные токовые защиты понижающеrо транс-
форматора с двумя выключателями с питаемой стороны
(рис. 13.18). Используются три комплекта защиты, причем
комплект с питающеЙ стороны имеет выдержку времени
на ступень I1t большую, чем защиты приемных сторон. Это
дает ВОЗМОЖНОсть сохранить питание одной из сторон при
К3 на друrой, а также обеспечивает резервирование ос-
новных защит трансформатора. При недостаточной чувст-
вительности защиты, например, питаюшеЙ стороны, ток
На оmклIO
ченuе в.. 1
На 8ыхоВное ПрОf'1е
Жljmочное реле
<:!ц;,
"'0-1
C:J .
::Jo.,'
:t ....
tj ::t
'" t:I...
2
::Jo.,tj
:t'>c:J
tJ)
tJ
....
:>::::,..,
lA
t питание
Рис. 13.18. Совмещенная структурная схема максимальной токовой за-
щиты понижающеrо двухобмоточноrо трансформатора, имеющеrо два
выключателя с приемной стороны
Рис. 13.19. Совмещенная структурная схема защиты от сверхтоков К3
повышающеrо трансформатора
460
461
ричных междуфазных I\З обычно применяют токовую за-
щиту обратной последовательности с независимой характе-
ристикой выдержки времени. При этом для защиты от К(З)
предусматривается максимальная токовая защита в одной
фазе с дополнительным пуском, осуществляемым одним
минимальным opraHoM напряжения. Подход к выбору па-
раметров защиты обратной последовательности такой же,
как и для защит reHepaTopoB. Защита от внешних I\З на
землю (K(l), K(1.1») осуществляется токовой защитой нуле-
вой последовательности. Ее opraH тока получает питание
оТ ТА, обычно встраиваемоrо в вывод нейтрали трансфор-
матора. При ero отсутствии устанавливается выносной
Т А в цепи заземления нейтрали. Выдержки времени защи-
ты нулевой последовательности (одна или две коrда
первая используется для действия, например, на разделе-
ние секций шин) выбираются б6льшими максимальных
вь держек времени последних ступеней токовых направ-
ленных защит нулевой последовательности линий с уче-
том времени работы УРОВ (см. rл. 5, rл. 15), которые
обычно применяются при напряжениях, б6льших или рав-
ных 110 кВ. Ток срабатывания соrласуется по чувстви-
тельности с указанными защитами линий и обычно состав-
.тlяет примерно 75 150 А.
Токовая направленная защита нулевой последователь-
ности автотрансформаторов с питанием со сторон высше-
ro и среднеrо напряжений (рис. 13.20). При выполнении
рассматриваемых защит учитываются следующие обстоя-
тельства: автотрансформаторы своей обмоткой электриче-
ски связывают системы высшеrо и среднеrо напряжений и
поэтому защиты от K(l) этих сторон, как и защиты от мно-
rофазных I\З, взаимосвязаны и для обеспечения селектив-.
НОСТИ при внешних повреждениях нуждаются в opraHax
направления мощности; ток в цепи заземления нейтрали
автотрансформатора по отношению к напряжению и о мо-
жет менять свою фазу' примерно на 1800 в зависимости от
соотношения эквивалентных сопротивлений нулевой после-
. довательности связанных систем (см. rл. 1) и поэтому для
защит не используется; токи 10 со стороны с замыканием
На землю и с друrоЙ стороны MorYT сильно разниться за
счет ответвления тока в rлухозаземленную нейтраль;
в связи с этим для обеспечения чувствительности на сто-
ронах высшеrо и среднеrо напряжений устанавливаются
отдельные защиты от внешних I\З на землю. Приведенный
на рис. 13.20 возможный вариант защиты учитывает при-
462
веденные соображения. устанавливаются два комплекта
реле реаrирующих на Ю I ) и K(I,1) соответственно в сетях
BbIc ero и среднеrо напряжений. Комплекты выполнены
двухступенчатыми со II и III ступенями и присоеди-
нены к ТА, встроенным во втулки автс:транс9>орматора.
Вторые ступени отсечки с выдержкои времени. По-
11
Рис 1320 Совмещенная структурная схема токовой направленной за-
щит'ы нул вой последовательности автотрансформатора с двусторонни ]
питанием с использованием встроенных т А
скольку часто их t 11 одинаковЫ, оба комплекта приняты
нап авленнымИ. Необходимо отметить, что дЛЯ III ступе-
ней р имеющИХ разные t lII , направленность обязательна
тол ко у III ступени, имеющей меньшую выдержку време-
ни (см. rл. 5). Отсечки обеспечивают уменьшение времени
отключения повреждений, например в ошиновке и на втул-
ках автотрансфор атора, а также, что часто весьма суще
ственно обеспечивают возможность выбора u меньших
токов срабатывания II ступеней защит нулевои последо:
вательносТИ линий, подходящих к подстанции с друrОIl
46
(по отношению к месту включения отсечки) стороны повы-
шенноrо напряжения. Для ликвидации КЗ на землю меж-
ду ТА и выключателями защиты с дополнительной вы-
держкой времени отключают защищаемый автотрансфор-
матор со всех сторон. При установке на питающих линиях
четырехступенчатых защит нулевой последовательности
аналоrичные защиты автотрансформаторов выполняются
трехступенчатыми.
Необходимо отметить, что примерно в тех же целях,
что и ступенчатые токовые защиты нулевой последова-
тельности, но применительно к междуфазным КЗ, на авто-
трансформаторах предусматриваются дистанционные за-
щиты. Устанавливаются также токовые и токовые направ-
ленные защиты обратной последовательности.
ltt lI
ltt l1
13.12. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРErРУЗОК
Переrрузки обычно бывают - симметричными. Несим-
метричные переrрузки трансформаторы (автотрансформа-
торы) воспринимают совершенно по-друrому, чем [енера-
торы, они не представляют для них такой опасности.
Поэтому защиты от переrрузок выполняются opraHoM то-
ка, включаемым на ток одной фазы, и работают обычно
на сиrнал с выдержкой времени, большей максимальных
выдержек времени защит от КЗ. На трехобмоточных
трансформаторах, имеющих разные номинальные мощно-
сти обмоток, двух- или трехстороннее питание в общем
случае защиты включается со всех трех сторон. На пони-
жающих автотрансформаторах с питанием только со сто-
роны высшеrо напряжения защита должна устанавли-
ваться (рис. 13.21, а) со стороны низшеrо напряжения,
обмотка которой имеет всеrда меньшую мощность (не пре-
восходящую l UHoM.cIUHoM,B проходной мощности), И выс-
шеrо напряжения. В тех случаях, коrда возможна переда-
ча энерrии со стороны среднеrо на стороны высшеrо и
низшеrо напряжений или, наоборот, на сторону среднеrо
напряжения одновременно со СТОРОн высшеrо и низшеrо
напряжений, может переrружаться общая часть обмотки,
даже коrда токи с указанных сторон меньше номиналь-
ных. Поэтому, если такие режимы возможны, защита дол-
жна включаться также на общую часть обмотки (рис.
13.21, б). Со стороны среднеrо напряжения защита не ус-
танавливается, так как ток этой стороны не характеризу-
ет переrрузку обмоток.
464
1 1I
Рис. 13.21. Совмещенные структурные схемы токовой защиты от пере-
rрузок:
а автотрансформатор с питаннем со стороны высшеrо напряжения; б авто.
транеформатор, работающий в режимах с переrружаемоА обще!! частью обмотки
13.13. РЕЗЕРВНЫЕ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ОТ ВНЕШНИХ
ЗАМЫКАНИй НА ЗЕМЛЮ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ
С РАЗЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
Защита предусматривается со стороны 110 220 кВ
трансформаторов, которые в процессе эксплуатации MorYT
работать как с заземленной, так и с разземленной
нейтралью. Это может быть при частичном заземлении
нейтралей в системе с rлухозаземленными нейтралями.
Назначением защиты является предотвращение возмож-
ности работы трансформатора с изолированной нейтралью
с неотключенным внешним замыканием на землю, по-
скольку уровень изоляции выпускаемых промышленностью
трансформаторов 110 220 кВ на этот случай обычно не
рассчитывается. Такой режим может, например, возник-
нуть в случае К(1) на шинах высшеrо напряжения станции,
ликвидируемоrо защитами противоположных концов линий
и трансформаторов станции (рис. 13.3). При наличии спе-
30 855
465
реlулирующей частИ. Принципы их работы основываются
на том, что при внутренних замыканиях в реrулирующей
части, коrда вследствие недостаточной чувствительности
MorYT не работать общие дифференциальные токовые за-
щиты, токи фаз трансформатора (автотрансформатора)
близки к рабочим; при сквозных же КЗ, КOI"да токи как в
реrулируемых витках, так и в основном элементе возрас-
тают, действие специальных защит не требуется. Первый
вариант такой защиты был предложен еще в 30-е [оды
(А. r. reBopKOBbIM), по нему предусматривалось автома-
тическое выведение токовой защиты при внешних КЗ. Бо-
.lJee совершенный вариант, предусматривающий токовую
защиту с торможением, был разработан в 50-е [оды (А. Н.
Кожиным). Специальные токовые защиты, использующие
эти идеи, иноrда применяются в настоящее время, напри-
мер для мощных автотрансформаторов [76].
Выносные аппараты для реrулирования напряжения
применяются, например (в сочетании со встроенным pery-
лированием со стороны среднеrо напряжения), со сторонь!
низшеrо напряжения мощных автотрансформаторов. Они
обычно оборудуются отдельными дифференциальными и
rазовыми защитами, причем для дифференциальной защи-
ты используются Т А, встроенные в бак защищаемоrо ав-
тотрансформатора.
циальной (дифференциальной) защиты шин этот режим
может возникнуть при повреждениях на шинах и отказе их
защиты или на линии в случае отказа ее защиты или вы-
ключателя.
Существует ряд вариантов выполнения таких защит,
рассмотренных в литературе (см., например, [10] и др.).
13.14. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТ ПРИ НАЛИЧИИ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ пРодольноrо РЕrУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
ПОД НАrрУзкой
Продольное реrулирование напряжения под наrрузкой
трансформаторов и автотрансформаторов получило весь-
ма широкое распространение. Ero практическое использо-
вание несколько сдерживается
только несовершенствами кон-
структивнorо выполнения. T ст-
ройства бывают встроенными
в основные маслонаполненные
баки трансформаторов (авто-
трансформаторов) или в виде
выносных аппаратов и имеют
MHoro разновидностей cBoero
конструктивноrо выполнения.
При общепринятых исполнени-
ях ответственной их частью
являются контакторные уст-
ройства, переключающие чис-
ло витков обмотки, используе-
мой для изменения результи-
рующеrо коэффициента транс-
формации трансформатора (ав-
тотрансформатора) .
Контакторные устройства
для мощных трансформаторов
(автотрансформаторов) со
встроенным реrулированием, например по рис. 13.22, Kor-
да реrулирование осуществляется со стороны cpeAHero на-
пряжения автотрансформатора, располаrаются внутри мас-
.тrонаполненных баков в отдельных отсеках (бачках) с соб-
ственной защитой, осуществляемой одноконтактным rазо-
БЫМ реле (см. 13.8) или иноrда ero разновидностью
реле давления. В СРЗиУ ТЭП были предложены специ-
альные токовые защиты,. реаrирующие на повреждения в
вИ
вн
ка
Рис. 13.22. Устройство встро-
eHHoro реrулирования наПрJiже-
ния
466
13.15. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
(АВТОТР АНСФОРМА ТОРОВ) БЕЗ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕй
СО СТОРОНЫ ВЫСШЕro НАпрЯЖЕНИЯ
Схемы присоединений трансформаторов (иноr,да авто-
трансформаторов) к питающим их линиям без выключате-
Jlей со стороны высшеrо напряжения в настоящее время
очень широко используются на понижающих подстанциях
в распределительных сетях напряжением 35 220 кВ.
Трансформаторы подключаются к линиям обычно через
отделители (трехфазные разъединители с дистанционным
управлением), которые обеспечивают возможность их от-
КЛЮЧеНИя в бестоковую паузу после отключения питающей
линии, вызванноrо повреждением трансформатора. От-
ключение линии моЖет при этом определяться разными
условиями (рис. 13.23): непосредственным реаrированием
ее защит на КЗ, возникшие в трансформаторе (рис.
13.23, а), а также воздействием ero сработавших защит
На короткозамыкатель, создающий искусственное КЗ у вво-
за;.
467
в)
времени короткозамыкателя. Эта выдержка времени дол
жна быть больше суммы времен передачи телесиrнала и
отключения под ero воздействием выключателей.
Более простым, с учетом изложенноrо, является вари-
ант по рис. 13.23,6, который наиболее часто и применя-
ется.
Короткозамыкатели бывают однофазными (для се.
тей 110 220 кВ с rлухозаземленными нейтралями) и ДBYX
или трехфазными (для сетей 35 кВ). Одним из важных
требований, предъявляемых к ним, является быстрота
действИя. Однако большинство существующих конструк-
ций имеет время включения, достиrающее 0,3+0,5 с.
В большинстве случаев используется сочетание коротко-
замыкателя с отделителем в трех фазах. Имеется MHoro
вариантов и деталей таких сочетаний, рассмотренных в
[48,66идр.].
Одним из важных вопросов, который приходится ре-
шать при выполнении схем с отделителями, является обес-
печение ero работы только в бестоковую паузу АПВ пита
ющих линий. Существующие для этоrо схемы можно раз
делить на две основные rруппы: косвенно проверяющие
отсутствие тока в фазах отделителя по отсутствию тока в
цепи короткозамыкателя и непосредственно контролирую-
щие отсутствие напряжения и тока в фазах отделителя.
Разработанные в ЭСП схемы (см., например [10, 44])
предусматривают два Минимальных opraHa напряжения,
включенных на междуфазные напряжения, специальныЙ
трехфазный высокочувствительный opraH тока и opraH то-
ка в цепи короткозамыкателя, действующие совместно по
схеме И (рис. 13.24). Ввсдение opraHoB напряжения
предотвращает подачу команды на отключение отдеJlите.
.1Я при работе rазовой защиты, коrда токи повреждения
:-.юrут' быть весьма малы. Цепь отключения отделителя в
этих схемах дополнительно контролируется opraHoM тока
в цепи короткозамыкателя, входящим в указанную выше
лоrическую цепочку И.
ДЛЯ трансформаторов небольшой мощности часто при-
меняются более простые схемы только с контролем отсут-
ствия тока в цепи короткозамыкателя.
Защиты трансформаторов рассматриваемых подстан
ций осуществляются на .оперативном переменном токе
с учетом Toro, что в бестоковыIe паузы подстанция полно-
стью лишается напряжения, и поэтому в комплексе источ
дов высшеrо напряжения трансформатора (рис. 13.23,6 Il 8)
или на устройство телеотключения выключате.lей линии
(рис. 13.23, е). Использование защиты линий как основной
защиты трансформаторов, как правило, неэффективно
вследствие ее недостаточной чувствительности к К3 BHY
три бака. Поэтому такое решение допускается только для
трансформаторов малой мощности, работающих в блоках
с линией.
Защита r
Защита Т
о)
2)
Рис. 13.23. Примеры схем соединений подстанций, работающих без вы-
ключателей со стороны высшеrо напряжения
Более универсальным является использование YCT
ройств телеотключения. Особенно эффективным оно явля
ется в тех случаях, коrда питающие линии имеют ВЧ кана-
лы связи. Это определяется тем, что блокирующие ВЧ
сиrналы и ВЧ сиrналы телеотключения MorYT передавать-
ся (как было отмечено в rл. 9) по одному каналу. Про
водные каналы для телеотключения применяются обычно
для упрощенных подстанций, близко расположенных к ис-
точнику питания, для KOToporo искусственно создаваемые
короткозамыкателями К3 по тем или друrим причинам
MorYT представлять опасность. При этом следует учиты
вать, что друrие удаленные концы линии MorYT быть от-
ключены только после включения с некоторой выдержкой
468
469
На ОТХЛЮ'lенце xopoт
хозаныкателя
На отКЛЮ'lеНЦl!
отВелцтеЛR
ыводам или выводам ПИН (см. rл. 4) осущест
тельн м В(рис. 13.25) через соrласующий трансформатор
В.1яет ен ияМИ в пе р вичноЙ обмотке, предназначенными
с ответвЛ u
авнив ания М д с создаваемых токами каждои из
' ля выр' б
. аз п и нормальной работе, и снижения, тат,<им о разом,
OKa Еебаланса в устройстве до минимальноrо значения.
Повреждения изоляции вводов развиваются, как прави
тиосительио медленно. Поэтому оказывается целесо
' a HЫM иметь в устройстве две ступени: более чувстви
тJьную, работающую на сиrнал, и более rрубую на OT
ключение трансформатора (автотрансформатора).
/(G[ отilелцтеля
А
8
с
От защцт
трансрорнатора
Рис. 13.24. Вариант совмещенноЙ структурноЙ схемы включения отдс-
лителя
11
I'
ников питания целесообразно иметь предварительно заря
жаемые батареи конденсаторов.
На высшем напряжении избerают применения вЫнос.
ных Т А и TV и оrраничиваются использованием Т А, встро-
енных во втулки высшеrо напряжения защищаемых транс.
форматоров, а при их отсутствии используют наклаДНЫЕ-
(на втулки) Т А или маrнитные зонды маrнитные ТА
(см.rл.4).
l'
м
к измерительным 11
.ло?uческuм орсанам
13.16. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Рис. 13.25. Принцип работы устроЙства КИВ
Выше были рассмотрены основные и резервные защиты
трансформаторов и ,автотрансформаторов. На них Mor T
также устанавливаться некоторые дополнительные устрои
ства и защиты, коротко рассматриваемые Ниже.
I(онтроль изоляции вводов С и ном >500 кВ. Устройство
контроля, коротко именуемое кив, реаrирует на OCHOB
ную rармонику eMKocTHoro тока нулевой последователь-
ности в цепи обкладок трех вводов с бумажно масляной
изоляцией. При частичном пробое изоляции ввода или
возрастании активноrо тока утечки в связи с развитием
повреждения ток в цепи КИВ увеличивается и вызывает
срабатывание устройства. Ero присоединение к измери-
470
Пуск устройства пожаротушения. Трансформаторы
(автотрансформаторы) мощностью 5>200 МВ. А и люб й
мощности напряжением и ном >500 кВ оснащаются устрои.
ствами пожаротушения. При отсутствии специальных дa
чиков, реаrирующих на возникновение пожара, э::и устрои.
ства должны запускаться только в случаях деиствия за-
щит, реаrирующих на повреждения трансформатора (aB
тотрансформатора). При этом возникает ряд вопросов,
требующих учета. На указанные повреждения реаrируют
основная продольная дифференциальная токовая защита,
rазовая защита и дифференциальная защита ошиновки
471
(последняя действует пр.и перекрытии наружной части
втулок, в которые встроены ее Т А и повреждения которых
наиболее часто сопровождаются пожаром). Для предот
вращения пуска автоматики пожаротушения при работ€-
этих защит, имеющих более широкую защищаемую зону,
их отключающие сиrналы иноrда контролируются токовой
защитой нулевой последоваТе.'1ЬНОСТИ, включаемой в за
земляющий провод бака (см. 13.9), а при работе основ-
ной дифференциальной защиты rазовой защитой (д.1Я
предотвращения пуска пожаротушения при повреждениях
со стороны соединений низшеrо напряжения).
Максимальные защиты напряжения нулевой последо
вательности. На двухобмоточных повышающих трансфор-
маторах какой-либо защиты от K l) со стороны низшеrо
»апряжения не предусматривается, в частности, потому,
что исключен длительный режим их холостой работы
с включением со стороны высшеrо напряжения. Однако
такие режимы возможны на блоках [енератор транс-
форматор при наличии у [енератора отдельноrо выключа-
теля (см. 13.17) и на автотрансформаторах. В таких
случаях предусматривается сиrнализация, фиксирующая
состояние соединений низшеrо напряжения. Она выполня-
ется с помощью ИО напряжения, включаемоrо на зажимы
вторичных обмоток TV, соединенных в разомкнутый тре-
уrольник, и действующеrо на сиrнал с выдержкой Bpe
мени.
Устройство контроля непереключения фаз. В систем ах
с UHoM 110 кВ часто применяются выключатели с пофаз
ными приводами. В этом случае считается необходимым
учитывать возможные недовключения или недоотключе
ния отдельных фаз, обусловливающие неполнофазныс ре-
жимы, опасные прежде Bcero для [енераторов. Для уско-
рения ликвидации таких режимов обычно используется
+fi a
l
+ XAJ
КТ Ha Il7 1
li5 ,:;:;
. Рис. 13.26. Устройство, контролирующее
неДОВК.lючение илн недоотключеиие фаз
выключаТС.1Я BblcoKoro напряжения с
пофазным управлением, для трансфор-
матора с заземленной нейтралью
472
ИО тока, включаемый в нейтраль высшеrо напряжения
трансформатор (автотрансформатора), наПР!fмер по рис.
13.19, подающИИ сиrнал на контур, состоящии из трех за-
мыкаюЩИХ и трех размыкающих контактов выключателя,
включеннЫХ по лоrической схеме (конкретная реализация
которой на контактах приведена па рис. 13.26)', JI действу-
ющиЙ на цепи ускорения отключения.
13.17. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТ БЛОКОВ rEHEPATOP
ТР АнсфОРМА ТОР (АВТОТРАНСФОРМАТОР)
Блочные схемы обычно выполняются с мощными [ене-
ратарами и трансформаторами (автотрансформаторами).
На блоках предусматриваются защиты от тех же видов
цовреждений и ненормальных режимов, что и на [енерато-
рах и трансформаторах при их раздельной работе. Одна-
ко в связи с тем, что [енераторы и трансформаторы часто
образуют единый рабочий элемент, некоторые защиты мо-
[ут быть использованы для блока в целом; например воз
можно применение общих защит от сверхтоков, защит от
K. 1) в системе reHepaTopHoro напряжения. С друrой сторо-
ны, MorYT требоваться некоторые дополнительные защиты,
усложняться цепи отключения.
Конкретное выполнение защит в значительной мере
определяется схемами соединений блоков. На рис. 13.27
приведено несколько типичных схем таких соединений:
схема на рис. 13.27, а характерна для rрэс (на ней транс-
форматор собственных нужд присоединен к блоку без вы-
ключателя); схема на рис. 13.27, б для АЭС и мощных
6)
а)
Рис. 13.27. Варианты схем электрических соединений
тор траисформатор (автотрансформатор)
блоков rellcpa-
473
ТЭЦ (reHepaTop имеет отдельный выключатель, развитые
собственные нужды или друrие потребители получают
питание на reHepaTopHoM напряжении); схема на рис.
13.27, в для rрэс с повышающим автотрансформато
ром (reHepaTop имеет отдельный выключатель, обеспечи
вающий вОЗМОЖНОСть работы автотрансформатора при
отключенном reHepaTope); схема на рис. 13.27, z для
rидростанций (reHepaTopbI с отдельными выключателями
работают на общий трансформатор).
Для схемы на рис. 13.27, а принципиально можно бы
.'10 бы ос\'ществить общую продольную дифференциаль-
ную защи у блока в целом, охватывающую reHepaTop и
оба трансформатора. Однако практически обычно осуще
ствляют раздельные защиты для всех трех элементов. Это
дает возможность иметь более чувствительные защиты
reHepaTopa и трансформатора собственных нужд. Защита
повышающеrо трансформатора моrла бы не иметь Т А СО
стороны трансформатора собственных нужд, поскольку /к
при повреждениях со стороны ero низшеrо напряжения
меньше [т,НОМ' Однако, как показываlOТ расчеты, это за-
rрубляет ее и поэтому обычно не практикуется.
Осуществление защиты от K l) в статорной обмотке [е-
нератора для схемы на рис. 13.27,6 может встречать за-
труднения в связи с возможными малыми токами, подхо-
дящими к месту пробоя из системы reHepaTopHoro напря-
жения. Однако защита по последним разработкам ВНИИЭ
(см. rл. 12) разрешает это затруднение.
Схема на рис. 13.27, в требует установки дополнитель-
ной защиты от сверхтоков при работе автотрансформато-
ра без [енератора, в том числе и на сторону низшеrо на-
пряжения.
Для схемы на рис. 13.27, z возникали затруднения при
осуществлении защит от Ki!) в статорных обмотках [ене-
раторов по причине малых токов повреждения. На прак
тике для таких reHepaTopoB нашла применение разрабо-
танная ЭНИН направленная защита нулевой последова-
тельности, реаrирующая на начальные переходные токи
пробоя (см. rл. 10). Возможно также использование ука-
занной выше новой защиты ВНИИЭ. Защиту трансформа-
тора от сверхтоков внешних мноrофазных КЗ в этой схе-
ме целесообразно осуществлять от соответствующих за-
щит [енераторов, так как при их частичном включении
собственная защита трансформатора может не обладать
необходимой чувствительностью.
474
в последние [одь: в зарубежноЙ практике отмечались
пов р еждении трансформаторов, работающих в
случаи
блоках с rенераторами, вследствие недопустимоrо повы-
шения индукции в маrнитных системах. Указыва тся, что
такие явлеНИЯ, маловероятные при паралле,чьнои работе
блока с системой, иноrда возникают ри пуске и останове
блокоВ, работающих при пониженнои частоте, при недо-
пустимо высоком возбуждении [енераторов. Предлаrают-
ся защИТЫ от таких режимов. Отечественная практика
пока не подтвердила необходимость установки таких за-
щит.
Возникает и ряд друrих BOIIpOCOB при осуществлении
защит блоков. Мноrие из них рассмотрены в [65].
Вопросы для самопроверки
1. От каких видов повреждений и ненормальных режи-
мов работы предусматриваются . защиты трансформато-
ров?
2. Какие дополнительные факторы необходимо учиты-
вать при выполнении дифференциальной защиты транс-
форматоров по сравнению с аналоrичной защитой [eHepa
торов?
3. Какие слаrающие токов небаланса учитываются при
выполнении дифференциальной защиты трансформаторов
и какими факторами они определяются?
4. Каковы особенности изменендя во времени броска
намаrничивающеrо тока при включении трансформатора
под напряжение и как они MorYT использоваться для от-
стройки ИО дифференциальной защиты от тока неба
ланса?
5. Почему от внешних несимметричных междуфазных
КЗ двухобмоточных повышающих трансформаторов обыч-
но при меняют токовую защиту обратной последователь-
ности?
6. Как осуществляется защита от внешних К(1) транс-
форматоров с питанием со стороны высшеrо и среднеrо
напряжений?
7. Каковы особенности защиты трансформаторов без
Выключателей со стороны высшеrо напряжения?
8. Каковы основные особенности защит блоков reHepa-
тор трансформатор?
rлава четырнадцатая
ЗАЩИТА АСИНХРОННЫХ И СИНХРОННЫХ ДВИr А ТЕЛЕЙ
14.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОТИВОАВАРИЙНОй АВТОМАТИКИ ПОТРЕБИТЕЛЕй
В промышленности, сельском хозяйстве, на транспор
те и в коммунальном хозяйстве используются разноrо ви
да электродвиrатели, выпрямительные arperaTbl, электро
печи, разноrо рода коммунальные установки и т. П., питае
мые от сетей электрических систем или отдельных CTaH
ций. Основной катеrорией потребителей напряжением
больше 1 кВ являются трехфазные асинхронные и синх
ронные двиrатели. Их еДИНИЧНЫе мощности все время воз
растают !! в последние rоды в отдельных случаях уже
достиrают десятков MeraBaTT (для синхронных двиrате-
лей). Учитывая направленность книrи, ниже рассматрива
ются только общие защиты двиrателей общепромышлен
Horo назначения.
Для правильноrо подхода к заЩИТе двиrателей необхо
димо представлять их работу в условиях эксплуатации и
учитывать предъявляемые ею требования. Это, как в свое
время выявилось, особенно необходимо в связи с тем, что
машиностроители не всеrда в должной M pe оценивали при
конструировании возможные в эксплуатации режимы.
Первые важные исследования по режимам работы двиrа
теJlей (сначала асинхронных, ПОтом и синхронных) были
в 30 e rоды выполнены И. А. Сыромятниковым. Наиболее
существенные их результаты в последний раз опубликова
ны в [74J. Этн работы не только дали возможность сфор
мулировать некоторые требования к релейной защите, но
и послужили основой для расширенноrо использования ca
мозапусков (в том '!исле асинхронных двиrателеЙ с фаз
ным ротором), осуществления разработанных автором
принципов частотной разrрузки (обычно более эффектив
Horo мероприятия, чем разrрузка по снижению наПрЯже
ния), форсировки возбуждения синхронных машин, вклю
чения в действие реrуляторов напряжения I'eHepaTopoB без
устройств по оrраничению тока возбуждения и т. д. Все
это способствовало значительному повышению надежности
и эффективности работы систем и начало проявляться уже
во второй половине 30 x rодов. Однако указанные Mepo
приятия, относящиеся к противоаварийной автоматике,
прямоrо отношения к защите не имеют и упоминаются в
476
свяЗИ с тем, что роль И. А. Сыромятникова в развитии Ha
шей энерrетики, в том числе и в рассматриваемой области,
в литературе не получила, к сожалению, должноrо осве-
щения. Ряд важных работ по режимам работы двиrате
лей, и особенно синхронных reHepaTopOB, был выполнен
во ВНИИЭ (Л. [. Мамиконянц и др.), а двиr-aтелей также
в НПИ (С. Л. К:ужеков), ПО «УраЛЭ!-lерrочермет»
(М. И. Слодарж), ЕПИ (r. [. rимоян) и специалистами в
области электромашиностроения.
14.2. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИй И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЗАЩИТЕ
Повреждения. Основным учитываемым видом повреж
дений двиrателей обычно считаются мноrофазные К:З в об-
мотке статора. Они MorYT не только вызывать большие
разрушения машин, но и сопровождаться понижением Ha
пряжения в питающей сети, нарушающем работу мноrих
друrих потребителей. Поэтому защита от мноrофазных
К:З в двиrателях и ero соединениях с выключателем BЫ
полнЯется работающей без выдержки времени. Рассмат-
риваются двиrатели с ином> 1 кВ, работающие обычно в
сетях с нейтралью, изолированной или заземленной через
дуrоrасящие реакторы (см. rл. 1 О). Поэтому следующим
видом повреЖдения Являются Ki 1 ). Соrласно пока действу
ющим общим правилам специальные защиты от K l) реко-
мендуется устанавливать при суммарном емкостном токе
питающей сети Ic 5 А для двиrателей мощностью более
2000 кВт и при Ic 10 А для двиrателей меньшей мощно
сти. Такой подход в настоящее время подверrается серь-
езной критике. Это определяется рядом факторов. К: ним
следует отнести следующие:
изоляции' обмоток статора по отношению к земле (за
земленному корпусу) является обычно более слабой, чем
у друrих элементов системы Toro же напряжения, а при
чин ВОзникновения опасных внутренних перенапряжений
иноrда даже больше, так как системы часто работают
с изолированной нейтралью, в них возникают коммутаци-
онные перенапряжения при отключениях существующей
аппаратурой отдельных потребителей по технолоrическим
условиям и т. д.; В результате K l) являются, как показа.l
мноrолетний опыт эксплуатации, наиболее частым видом
повреждений двиrателей (см., например, [75J);
477
K l) Ь обмотках машин MoryT быть опасными и при
J 1)<5 А (см. rл. 12) вследствие медленноrо разрушения
изоляции и возможноrо перехода в опасные витковые,
двойные и друrие К3.
Поэтому в настоящее время обычно считают, что спе
циальные защиты от K l) должны устанавливаться на всех
Д виrателях П р и 1(1) :;;.-5 А, а П р и возможности и при
эmах
меньших токах.
Необходимо отметить, что в отдельных случаях идут
на более радикальные решения. Так, уже в течение MHO
rих лет (см. rл. 10) по условиям техники безопасности на
торфопредприятиях, рудниках и в друrих подобных OTpac
,'Iях осуществляются защиты, которые даже при очень
малых 1(1) должны без выде р жки В р емени отключать
эшах
повреждения; для этоrо считается допустимым создавать
искусственные 1 1) значением до нескольких ампер. В по
следние rоды в системах 6 кВ собственных нужд атомных
электростанций типовым решением (см., например, [471)
является создание искусственных активных токов в He
сколько десятков ампер, для Toro чтобы защиты от K l
были достаточно чувствительными и охватывали по воз
можности большее число витков статорной обмотки дви
rателей (считая от ее выводов к выключателю). Для ocy
ществления защит двиrателей от K l) используются те же
принципы, что и для линий 6 10 кВ (см. rл. 10), с тем OT
личием, что при K l) С расположением одноrо места про
боя в двиrателе на фазе без Т А защиты от мноrофазных
К3 должны отключать двиrатель. Для двиrателей боль
шой мощности защиты от K 1) осуществляются, как и для
reHepaTopoB (см. rл. 12). Витковые К3 часто возникают в
результате своевременно не отключенных K l). Необходи
мость выполнения специальных защит от этоrо вида по
вреждений, так же как и для reHepaTopoB, не имеющих
параллельных ветвей статорных обмоток (с выведенными
их концами), в действующих правилах не зафиксирована.
В связи с этим в отечественной практике в отличие от за
рубежноЙ специальные защиты от K l) обычно не YCTaHaB
ливаются. Необходимость ее более широкоrо использова-
ния в областях, rде двиrатели работают в более тяжелых
условиях (например, rорнорудной промышленности), обо
сновывалась в работах [. [. rимояна (см., например, [77]).
пв
В настоящее время такие защиты, иноrда выполняющие
и функции защит от недопустимых несимметричных CBepx
токов, начинают получать более широкое применение. Для
их дейСТВИЯ обычно используются составляющие обратной
последовательности токов фаз двиrателя. У синхронных
двиrателеir, как и У reHepaTopoB (см. rл. 1 ), возможны
замыкания на землю в одной и второй точках цепи воз
буждения. От первоrо вида повреждений защиты обычио
не предусматриваются, от BToporo иноrда используется
схема, рассмотренная в rл. 12. Вторым специфическим ви
дом повреждений синхронных двиrателей является потеря
возбуждения, вызванная нарушениями системы возбуж
дениЯ. При этом двиrатель оказывается работающим
в асинхронном режиме со скольжением. Этот режим,
как отмечалось в rл. 12, не следует смешивать с асин
хронным ходом, возникающим при выпадении двиrате
,ТIЯ с исправным возбуждением из синхронизма. Простей
шими защитами от потери возбуждения являются YCT
ройства, непосредственно или косвенно реаrирующие на
исчезновение тока возбуждения, например opraH «нуле
Boro» тока при электромашинном возбуждении. 3ащи
та с выдержкой времени, предотвращающей ее сраба
тывание при пуске, действует на отключение. Для мощ
ных двиrателей или при бесщеточных системах возбуж
дения применяются более сложные защиты, разрабоr
ки которых подробно рассмотрены в [75], а также
в [79].
Близко примыкающими, с точки зрения защиты, к слу
чаю потери возбуждения являются разноrо рода режимы
синхронных двиrателей без возбуждения, например затя
нувшиеся пуски невозбужденных машин и т. д. Протекаю-
щИе в двиrателях в таких случаях процессы являются так-
же весьма сложными. Они и соответствующие защиты в по
следние rоды достаточно полно исследованы в работах
НПИ (с. Л. Кужеков).
Ненормальные режимы работы. Основным видом He
нормальных режимов работы, учитываемых при выполне-
нии защиты как асинхронных, так 11 синхронных двиrате
лей, являются сверхтоки, обусловленные переrрузкой
Приводимоrо в движение механизма, понижением или Bpe
менным исчезновением напряжения в питающей сети, ра::!-
рывом фазы в этой сеТ1I и т. п. Первые фундаментальные
работы по режимам работы двиrателей, как было указа
НО выше, выполнены И. А. Сыромятниковым. Они, в част
479
ности, были положены в свое время и в основу разработки
защип>! от сверхтоков.
При рассмотрении мноrих из указанных вопросов при-
ходится учитывать время разворота двиrателей (при пу-
ске, восстановлении напряжения). При этом рассматрива-
ется динамический процесс, характеризуемый общим вы-
ражением МД==МВР МЛР' Увеличение числа оборотов
происходит до тех пор, пока динамический момент М д не
станет равным разности вращающеrо М вр и Противодейст-
вующеrо М лр . Динамический момент связан с моментом
инерции J Bcero arperaTa и уrловой скоростью вращения
(u соотношением Мд==Jd(j)/dt. Принимая во внимание, что
ы==2 'Лп/60, а п/пном п/псинх== l s, rде s скольжение,
можно определить время пуска t л . Эти времена иноrда до-
стиrают при тяжело наrруженных двиrателях десятков
секунд и должны учитываться как при определении их на-
rpeBa, так и при выборе параметров защит.
Опасность сверхтоков определяется rлавным образом
их тепловым действием.
Сверхтоки переrрузки. Допустимые значения симмет-
ричных сверхтоков в функции времени их прохождения
определяются переrрузочной характеристикой двиrателя.
Часто rрубо приближенные, но практически приемлемые
результаты получаются (см., например, [75, 78]), если
считать, что все выделяемое тепло идет на наrревание об-
мотки статора (адиабатический процесс), и допускать
кратковременный ее переrрев сверх максимальноrо дли-
тельно допустимоrо значения. Допустимое время переrруз-.
ки может при этом определяться по выражению t дол ==
== Т (а k ач) / (k2 k ач)' r де Т постоянная времени
HarpeBa двиrателя; k кратность сверхтока по отношению
к номинальному; а коэффициент, больший 1, характери-
зующий кратковременное превышение температуры, вы-
бираемый с учетом !?яда факторов и в среднем часто име-
ющий значение 1,3. Например, при k нач == 1 (двиrатель пе-
ред возникновением переrрузки работал с током 1 дв.ном)
получаем tдол==Т(а 1)/(k2 1)==А(k2 1). В ряде случа-
ев характеристику защиты желательно иметь такой, чтобы
она давала возможноСть использовать переrрузочную спо-
собность двиrателя с учетом температуры охлаждающей
среды и Toro, что он не успел остыть от предшествующей
кратковременной переrрузки.
При симметричных сверхтоках, вызванных переrруз-
кой приводимоrо в движение механизма (например, на
480
тепловых электростанциях мельницы, дробилки и т. п.),
защита может действовать на отключение или сиrнал и
разrрузку. Защиту выполняют действующей на отключе-
ние в тех случаях, коrда переrрузка не может быть устра-
нена без остановки механизма, или при отсутствии посто-
янноrо обслуживающеrо персонала. При р боте защиты
. на разrрузку она иноrда выполняется так, ;,то в случае:
если переrрузка не исчезла, защита с большеи выдержкои
времени действует на Отключение. Защита от переrрузок
выполняется орrанами различноrо типа. Наиболее просто
она осуществляется opraHoM тока с зависимой или неза-
висимой характеристикой выдержки времени, включае-
мым на фазный ток. Несколько более С.'lожно защита вы-
полняется с использованием электротепловых реле и тем-
пературных opraHoB (см., например, [77]). Электротепло
выми называются реле, работа которых основана на ис-
пользовании выделенноrо тепла при прохождении элект-
рическоrо тока. В качестве рабочих элементов этих реле
применяются обычно биметаллические пластинки. К тем-
пературным opraHaM относятся, в частности, полупровод-
никовые датчики, позисторы, встраиваемые внутрь защи-
щаемоrо двиrателя, в лобовые части обмотки статора.
В общем случае рассматриваемые реле и opraHbl должны
были бы .1Jучше осуществлять защиту от переrрузок, чем
электрические opraHbI. Однако защиты с электротепловы-
ми реле для двиrателей напряжением больше 1 кВ пере-
стали использовать в отечественной практике еще с 30-х
rодов. Это определяется рядом соображений:
1) действительная кривая HarpeBa двиrателей может
значительно отличаться от закладываемой в характеристи-
ку биметаллическоrо элемента ввиду неоднородности на-
rpeBa отдельных частей двиrателя, зависимости ее от крат-
ностей тока и т. д.;
2) на HarpeB двиrателя может сильно влиять темпера-
тура охлаждающей среды, не соответствующая темпера-
Туре, в которой работают защитные реле;
3) имеются трудности в создании малоrабаритных реле.
Лучшие результаты должны получаться при примене-
нии температурных датчиков с позисторами. Однако и
применительно к их использованию высказываются неко-
торые критические замечания, например то, что датчик,
расположенный у поверхности изоляции высоковольтноrо
двиrателя, может несвоевременно реаrировать на переrрев
Меди обмотки статора, требуются провода для передачи
З1 855
481
сиrна.10В от датчиков.' Необходимо также учитывать, что
промышленности, перешедшей на широкое использование
интеrральной микроэлектроники, более удобно создавать
защиты от переrрузок с применением подходов, освоенных,
например, для защит от переrрузок синхронных [eHepaTO
ров (см. rл. 12). В результате датчики с позисторами в
отечественной практике широкоrо применения не получи
ли, хотя внедряемые защиты на микроэлектронной эле
ментноЙ базе (см., например, [75]) несмотря на слож
ность выполнения также имеют ряд недостатков.
Сверхтоки при понижениях и последующих BOCCTaHOB
JIениях напряжения. Рассмотрение оказывается целесооб
разным производить раздельно для асинхронных и син
хронных двиrателей. .
Условия работы асинхронноrо двиrателя определяются
характеристиками развиваемоrо им вращающеrо момента
М вр и противодействующеrо момента М пр механизма
в функции скольжения S ротора. Момент М вр в симметрич
ном режиме пропорциона.lIен квадрату напряжения. Для
двиrателей с фазным ротором MBp===MBP/MBP,HaM 2I<t ЬХ
"
Х (S/SK+SK/S), [де Ки=== И/Ином; Ь===М вр тах/Мвр,ном; SK
расчетное критическое скольжение, соответствующее
М ВР тах. Для двиrателей с короткозамкнутым ротором про
стых, достаточно точных зависимостей от S нет и поэтому
используются rрафические соотношения. Приводимые
в движение механизмы разделяются на две основные rруп
пы: с M"p===const и с М пр , резко снижающимся при увели
чении S сверх критическоrо значения.
На рис. 14.1, а приведены завИсимости MBP===f(s) при
разных Ки и Мпр===сопst. Кривые 1 и 2 характеризуют ра-
боту двиrателя с фазным ротором соответственно при Ином
и И К min, при котором М вр тах===Л1 пр п двиrатель еще может
остаться в работе с S===SK. Напряжение И К min=== Ином/Vь
и при b 2 составJrЯет около 0,7И ном . Если понижение Ha
пряжения до И < И к min продержится в течение времени,
достаточноrо для достижения предельноrо S ===Sпр, то при
последующем восстановлении напряжения даже до Ином
двиrатель не сможет развернуться и остановиться, так как
при этом ero Мвр<М пр . Необходимо отметить, что при сни
жен иях напряжения до И < И к min В течение нескольких дe
сятых долей секунды этоrо произойти не может. Поэтому
при ликвидации, например, внешних КЗ с выдержками Bpe
мени примерно 0,5 с разворот будет обеспечиваться. Для
482
двиrателя с короткозамкнутым ротором (кривая 3) раз
ворот оказывается возможным всеrда при достаточном
значении восстанавливающеrося напряжения. На рис.
14.1, б приведены а налоrичные зависимости для привода
с вентиляторной характеристикой и двиrателя с фазным
ротором. Они показывают, что в данном случае двиrатели
МВр,
I'1 rтp
М пр
SK
51
"
о)
о,u
(J
Рис. 14.1. Зависимости от скольжения вращающих моментов асинхрон-
ных двиrателей при различных значениях напряжения и противодейст-
вующих моментов:
а прн постояином противодействующем моменте; б прн противодействующем
моменте вентиляторноrо тнпа; 1, 2 двнrателн с фазным ротором; 3 двиrате-
лн с короткозамкнутым ротором
с фазным ротором и выведенным пусковым реостатом, как
и имеющие короткозамкнутый ротор, MorYT разворачивать
ся независимо от времени снижения напряжения и после
дующеrо ero восстановления.
При несимметричных КЗ, как показали зарубежные и
отечественные работы, двиrатели ведут себя примерно так
Же, как при металлических К(3). Это определяется тем, что
составляющие обратной последовательности в напряжениях
обусловливают М вр 2, действующий в сторону, противопо
ложную M Bpl , И результирующий Мвр,реЗ===МВРl М ВР2
Оказывается небольшим.
31*
483.
При восстановлен и напр :яс:: :::; : з
самозапуск дв rателеи. В иЦсамозапуска, которые в He
кам двиrателеи проходят 1 Однако эти токи
B : : aTc:tc O b в И :: УвЧ Я r: r ::y:::
rатели не MorYT развернуться. B P эксплуат руемой сети
в правильно спроеК;: :: Н f! обычно обусловливают дo
существуют кратков менные пе erpeBbl обмоток. До BHeд
пустимые кратковре б И А Р Сыромятникова для двиrа
ре;:; ф :урg:оро;м па ались также динамическоrо
:йствия бросков r:ри внезапном ; с:а : : ит=: :
ния, коrда пусковои реостат выве, снижениях
rатели практически немедлеНН к О л :JаИлиСИ::= альными за
пряжения автоматически от
аитами напряжения. Со второй половины 30-х rоДОВ такая
практ ика из экспл у атации была исключена, что дало воз
жность питания MHO
можность значительнО повысить наде
бителей При принятии TaKoro решения учитыва
ьп т:ое при вне-Шних КЗ у выводов двиrателей через них
прох'одят броски тока, которых избежать нельзя, имеющи
примерно те же значения, что и пусковые токи двиrателеи
п и выведенном пусковом реостате. .
р Необходимо, однако, отметить, что самозапуск, как пра:
вило является более тяжелым режимом, чем нормальныи
пуск' oTдe,ТIЬHЫx двиrателей. Это определяется пониженным
нап яжением в сети, обусловленным одновременным раз-
BOP TOM ряда двиrателей, выведенными пусковыми сопро
тивлениями двиrателей с фазным ротором, возможн
(например при автоматическом включении резеРВ дсА В )
величени м пускойых токов, если собственные дви-
ателей в момент включения еще не успели З R НУТЬ и их
фазы таковы что общая результирующая системы
и двиrателя казывается большей Ином. Изложенное дает
возможность сформулировать общие требования к защите
от сверхтокОв асинхронных двиrателей, являющихся след
ствием понижения и последующеrо восстановления напря
жения: защита должна предусматриваться на двиrателях
с фазным ротором, работающих с механизмами, имеющи-
ми А:1пр===сопst, а также на друrих двиrателях, имеющих
тяжелые условия самозапуска. Ее основным назначением
является защита обмоток от переrрева сверхтоками в слу-
чаях если двиrатель не разворачивается при восстановле
нии апряжения или процесс разворота недопустимо затя
484
rивается; она должна, если это оказывается необходимым,
отключать менее ответственные двиrатели для облеrчения
самозапуска более ответственных. Для выполнения этих
функций целесообразно применять rрупповые минимальные
защиты напряжения, а рассмотренные выше защиты от пе
реrрузок рассматривать только как резервные.
Условия работы синхронных двиrателей при пониже-
ниях напряжения оказываются друrими, чем для асинхрон
ных. Установившийся синхронный режим двиrателя xapaK
теризуется потребляемой им активной мощностью РС===
===ИJ cos qJ, эдс Ed за синхронным активным сопротивле-
нием в продольной оси X d И поперечной оси X q и уrло !
СДВИrа 6 между Ed и напряжением на зажимах И. Мощ-
НОСТЬ Pc==Ed sin 6/Х d +И2 (X d Xq)sin 26/(2X d X q ). С дру_
rой стороны, РС определяется статическим противодейст
вующим моментом М пр . Устойчивая работа имеет место
в том случае, коrда наrрузка механизма меньше макси
мально возможноrо значения РС тах. Двиrатель работает
в синхронном режиме до тех пор, пока снижение произве-
дения ЕdИ компенсируется возрастанием уrла 6. При даль
нейшем уменьшении ЕdИ возникают качания и возмож
ность выпадения Двиrателя из синхронизма. Таким обра
зом, выпадение двиrателя из синхронизма может
определяться снижением И, уменьшением тока возбужде
ния и недопустимым увеличением наrрузки. С друrой CTO
роны, форсировка возбуждения, широко используемая
в отечественной практике, существенно влияет на повыше
ние устойчивой работы. Внезапные резкие снижения Ha
пряжения, опасные с точки зрения выпадения двиrателя
из синхронизма, обычно возникают в результате К:З в пи-
тающей сети. При этом наиболее тяжелыми являются К(З)
(см. rл. 1), так как при несимметричных К:З всеrда оста-
ется некоторый вращающий момент, определяемый COCTaB
ляющими прямой последовательности в напряжениях. По-
ведение двиrателей при внешних К:З достаточно сложно
II рассматривается с применением методов, используемых
для расчетов динамической устойчивости систем [30]. Ис-
пользование этих методов дает возможность определить
и допустимые времена отключения К:З, которые дали бы
возможность сохранить двиrатели в устойчивой работе.
Времена эти оказываются весьма малыми. Предельное ми-
нимальное значение напряжения, при котором двиrатель
.еще остается устойчиво работающим, принимают весьма
приближенно равным 0,5И ном (для ЮЗ)). Вышедший из
485
синхронизма двиrатель при восстановлении напряжения
часто обратно в синхронизм не втяrивается. На длительный
асинхронный ход двиrатели не рассчитаны. Поэтому H
них устанавливается специальная защита от несинхроннои
работы. На менее ответственных двиrателях она деиствует
на отключение. На ответственных двиrателях защита MO
жет действовать на устройств ресинхронизации (которое
снимает возбуждение и обратно ero подает при достиже
нии подсинхронной скорости), автоматическую разrрузку
или отключение с последующим автоматическим пуском.
Используется также минимальная защита напряжения,
в основном для обеспечения бесперебойной работы YCTa
новки в целом (имеющей и асинхронные двиrатели) и дей
ствия в случае длительноrо исчезновения напряжения. За
щиту в сочетании с орrанами направления активной MO
ности используют также для отделения от шин питающеи
подстанции (см. rл. 13). Напряжение срабатывания для нее
желательно иметь примерно 0,5И ном ; выдержки времени
выбираются с учетом соображений, данных выше для aHa
лоrичных защит асинхронных двиrателей. .
Сверхтоки при разрыве фазы. В случае разрыва фазы
работающий двиrатель может продолжать вращаться, ec
ли Мвр>М пр . При этом по ero обмоткам MorYT проходить
значительные токи, в том числе особо опасные составляю
щие обратной последовательности. По литературным дaH
ным (см., например, [75]) длительно допустимый ток об
ратной последовательности имеет тот же порядок значе
ний, что и для [енераторов (примерно дО О, lI HOM ). с разры
ВОм фазы считаются преимущественно в сетях, защищенных
От К:З плавкими предохранителями, учитывая возмож
НОсть нарушения одноrо из них, и в сетях, например, [op
ной промышленности. В стационарных сетях с релейной
защитой этот вид сверхтоков считался маловероятным. Ok
нако в последние [оды и в этих сетях иноrда применяют
защиту от разрыва фаз, сочетая ее с защитами от витковых
К:З В статорных обмотках. В таких случаях ее часто вы-
полняют реаrирующей на составляющие токов обратной
последовательности. При этом оказывается необходимой ее
отстройка по времени от внешних К<2), например в параk
лельно работающих двиrателях.
14.3. ТИПЫ ЗАЩИТ ДВИrАТЕЛЕЙ
ИЗ проведенноrо выше рассмотрения следует, что OCHOB
НblМИ видами повреждений двиrателей являются, как и для
друrих элементов электроэнерrетической системы, разноr
рода К:З и однофазные замыкания на землю, а основными
видами ненормальных режимов сверхтоки. Поэтому для
защит двиrателей в основном используются известные из
предыдущих rлав токовые, дифференциальные токовые,
токовые и направленные защиты нулевой последовательно
сти от K I) И некоторые друrие. Однако их выполнение
связано с некоторыми специфическими особенностями, обу
слов,'!енными установкой на двиrателях. Имеются и HeKO
торые защиты, разработанные специально для двиrателей.
В настоящее время в отечественной литературе подробно
рассмотрены как общие вопросы выполнения защит двиrа
телеЙ, так и конкретные схемы их осуществления и спосо-
бы выбора параметров. К: таким работам в первую очередь
необходимо отнести [75, 77, 79] и некоторые друrие. Вместе
с тем вопросы как дальнейшеrо совершенствования, так
и промышленноrо освоения защит двиrателей нельзя счи-
тать завершенными. Поэтому ниже рассмотрены только
примеры выполнения защит. Часто они строятся с исполь
зованием оперативноrо переменноrо тока.
14.4. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЩИТ
Максимальная токовая защита. Возможная совмещен.
ная структурная схема приведеН'а на рис. 14.2. Защита BЫ
полнена двухфазной двухсистемной с двумя орrанами
тока К:А, работающими по схеме ИЛИ на отключение BЫ
ключателя, а для синхронных двиrателей и на rашение
поля. Для обеспечения селективности защите как наиболее
удаленной от истОчников питания выдержки времени не
требуется. Поэтому она для быстрейшеrо отключения К:З
осуществляется без нее. Первичный ток срабатывания за-
щиты с учетом соображений rл. 5 выбирается по общему
выражению: I ===kотсkзIдв,ном. При асинхронном двиrа
теле k з обычно рассчитывается в предположении включе-
ния двиrателя под номинальное напряжение с BЫBeдeH
ным пусковым реостатом (при фазном роторе). Отстройка
от броска при внешнем К:З обычно не является расчетным
случаем. Получающаяся примерная зависимость токов в
487
статорной обмотке от времени приведена на рис. 14.3. КО-
эффициент k3 определяется кратностью симметричной со-
ставляющей пусковоrо тока в начале пуска, даваемой
заводами-изrотовителями и в несколькО раз превосходящей
1 ДВ,ном. Для синхронных двиrателей расчетным является,
наоборот, внешнее трехфазное К3. В этом случае под k,
следует понимать кратность симметричной слаrающей (для
[===О) IJ З ) по отношению к Iдв:ном, равную Iдв,ном/Х;. Коэф-
*
фициент отстройки k OTC учитывает наличие апериодических
слаrающих в расчетных токах, режимы с неуспевшими за-
тухнуть собственными эдс асинхронных двиrателей и т. п.;
На отключение
Рис. 14.2. Совмещеиная структур-
ная схема максимальной токовой
защиты двиrателя
ТЫ от K1 ' 1), повреждение будет ликвидироваться защитой
питающеrо элемента с выдержкой времени. Последнее при-
водит к дополнительному разрушению двиrателя. Учитывая
изложенное, а также простоту и небольшую стоимость рас-
смотренную защиту в общем случае применяют на двиrа-
те ях мощностью Р-;;;:3500...;.-.5000 кВт. Пределы указан-
нои мощности желательно иметь по ВОЗможности мень-
шими.
Дифференциальная
щенные структурные
токовая защита. Возможные совме-
схемы защиты приведены на рис.
lпуск
(l,if+ 1,7)l"rпax
><
с:
.....
t
1.
Рис. 14.3. Примерная зависимость
оrибающей МfНОЕеИНЫХ значениЙ
пусковоrо тока от времени для
асинхронноrо двиrателя
Рис. !4.4. Со мещенные структурные схемы дв у х ф азной фф
альнои токовои защиты двиrателя: ди еренци-
а с торможеннем; б без торможения
он зависит также от типа применяемых opraHoB тока и бы-
вает равным примерно 1 ,5 2,5. Чувствительность защиты
принято характеризовать k ч miп при К3 на зажимах двиrа-
теля. Допустимым считается k ч miп 2. Необходимо отме-
тить, что он не характеризует защитоспособность, ко:орая
определяется долей замкнувшихСЯ витков статорноИ об-
мотки. Она обычно бывает малой. Небольшое ее повыше-
ние может быть достиrнуто при применении opraHoB тока,
имеющих отстройку от переходных значений токов (см., на-
пример, [75)). В этом случае kOTC может иметь значительно
меньшие значения. Вторым существенным недостаткоМ
схемы, осуществляющей защиту от мноrофазных К3, явля-
ется недействие при K I/) с расположением одноrо места
пробоя в фазе двиrателя без ТА. При отсутствии на двиrа-
теле защиты от K I) с Т А нулевой последовательности,
который можно было бы использовать для создания защи-
488
14.4, а и 6. Они выполнены двухфазными в предположении
что опасные для двиrателей K I) без ВЫдержки BpeMeH
ликвидируются дополнительными орrанами тока исполь-
зующими ТА Rулевой последовательности защи; от КО)
которые, как правило, в рассматриваемом случае имею;ся'
ак и для [енераторов (см. rл. 12), схема на рис. 14.4,
предполаrает применение opraHoB тока, имеющих торможе-
ние от токов плеч, а схема на рис. 14.4, 6 применение о _
[анов тока промежуточными насыщающимися т ALT YC -
:reHHoro деиствия (только для отстройки от переходных
tНб). До последнеrо времени для двиrателей довольно ши-
роко применялась, как более простая, схема на рис 144 6
Однако, как показали опыт ее эксплуатации (см' .,.
мер, [66)) и исследования [75], она для правильно о нф
489
ционирования обычно должна иметь l с ,з, значительно ббль
шие 1 ДВ,нам (до 2 3 1 дв,нам). Это В основном определяется
конструктивным осуществлением защиты: т А СО стороны
выключателя располаrаются в 1\РУ там же, [де и комплект
реле, поэтому сопротивление плеча проводов защиты с этой
стороны близко к нулю; сопротивление проводов плеча от
т А, расположенных у выводов к нейтрали двиrателя, MO
жет быть во MHoro раз ббльшим. В результате появляется
большая периодическая слаrающая в l нб , определяемая
разницей значений токов намаrничивания т А, что обуслов
ливает большой ток l с ,з по схеме на рис. 14.4, б. Отстраи
вать ток l с ,з от l дв ,нам, моrущих появляться в дифференци
альной цепи защиты при обрыве вспомоrательных прово-
дов, обычно нет оснований, как и для [енераторов. Поэтому
предпочтение должно отдаваться схеме с торможением
на рис. 14.4, а или друrим схемам, обеспечивающим, как
и она, 1 С,З <1 Дв,нам.
минимальныIe защиты напряжения для асинхронных
двиrателей. Ниже рассматриваются (рис. 14.5 и рис. 14.6)
два варианта схемы, разработанные ТЭП применительно
к собственным нуждам тепловыХ электрических станций
и работающие на оперативном постоянном токе с электро
механическими реле. В основном они отличаются друr от
друrа способом предотвращения ложных срабатываний при
нарушениях цепей TV, питающих opraHbI напряжения.
В схеме на рис. 14.5 для этоrо используются три минималь-
ных opraHa напряжения, включенных на три разных меж
дуфазных напряжения и имеющих последовательно соеди
ненные контакты (схема И); в схеме на рис. 14.6 два из
минимальных opraHoB напряжения заменены на максималь
ный, но включенный через фильтр напряжения обратной
последовательности.
Схемы имеют следующие особенности: являются rруп
повыми для секций 6 10 кВ и выполняют две основные
функции отключение неответственных двиrателей для
облеrчения самозапуска более ответственных, а также
двиrателей, которые не MorYT разворачиваться при BOCCTa
новлении напряжения после быстрой ликвидации внешних
1\3, и отключеНJIе ответственных двиrателей при длитель
ном исчезновении напряжения или если двиrатели с тяже
лыми условиями самозапуска не смоrли развернуться.
В соответствии с этим защиты имеют две ступени. Первая
выполняется для схемы на рис. 14.5 указанными выше
KV 1 KV3 и opraHoM выдержки времени КТ6, а на рис.
490
11
Q
8
с
о
Рис. 14.5. Совмещенная ст кт
пряжения для двиrателей в РУ I0 ур в на ( я схема МиНимальной защиты на-
к вариант 1)
14.6 opraHoM напряжения об u
KV 1, миНимальным opraHoM ратнои последовательности
выдержки времени КТ4 Н напряжения KV2 и opraHoM
нов KV 1 KV3 и KV2 и я;Jния срабатывания opra
следовательности KV 1 uс,з;: d нам, OpraHa обратнои по-
(uс,з 0,06иHaM), уставка КТ6 иНбк Иt оg альной работе
II Ступени в цепь подаю ю ""' , с. Для работы
времени КТ5 с t 9 10 щу сиrнал на opraH выдержки
""'. с, ВКлючается конта
Horo opraHa напряжения KV4 ( кт МИНИмаль-
имеЮщеrо U ""' о 5и О или соответственно KV3 )
С,З""', Нам. перативны u ,
водится через вспомоrательный кон и ток к защите под
выключателя, защищаЮщеrо TV от к. KT автоматическоrо
нарушении цепей нап яжения в сети 100 В. При
ни, большей максима1ьных вре щита выдержкой BpeMe
К:3 в питающей системе u ен сра атывания защит от
вом схемы на рис 146 ,деиствует на сиrнал. Достоинст
Является более H дe H fI внению со сх:мой на рис. 14.5
rорании как двух так и о едение из деиствия при пере-
высшеrо напряже ия TV Horo предохранителя на стороне
тельной. . . оэтому она является Предпочти-
С Применением схем на Р ис. 14 .5 1
, 4.6 или им подобных
491
осуществляется защита асинхронных двиrателей от сверх-
токов при понижениях и последующих восстановлениях
напряжения. Защита может использоваться uтакже, как от-
мечалось выше, в качестве вспомоrательнои для синхрон-
ных двиrателей.
На отключение На отключение
HeoтBeтcт8 H отВетстВенных
ных В8uzателеii В8иzателеu
т Jj y
а
Ь
с
о
Рис. 14.6. Совмещенная структурная схема минимальной защиты на.
пряжеиия для двиrателей 6 10 кВ (вариант 11)
Токовые защиты от симметричных переrрузок. Про-
стейшие схемы токовых защит даны на рис. 14.7 и 14.8.
Они осуществляются однофазными с использованием OДHO
ro opraHa тока с оrраниченно зависимой характеристикои
выдержки времени (рис. 14.7) или измерительноrо opraHa
тока, работающеrо на opraH выдержки времени (рис. 14.8).
Ток срабатывания защиты выбирается с учетом номиналь-
Horo тока двиrателя по выражению l с ,з==k от с 1 дв,ном/kв. При
выборе выдержек времени должны учитываться два усло-
вия: предотвращение срабатывания при нормальном пуске
или самозапуске инедопустимость переrрева обмоток вы-
ше определяемоrо тепловой характеристикой д иrателя.
Обычно эти требования оказываются между собои увязан-
ными, так как за время нормальных пусков и самозапусков
4
двиrатели должны переrреваться в допустимых пределах.
Время пуска и самозапуска наrруженных двиrателей часто
достиrает 10 15 с, а в некоторых случаях и б6льших зна-
чений.
Поэтому для рассматриваемоrо случая требуются моди-
фикации opraHoB тока, отличные от применяемых для за-
щиты от КЗ. Основным недостатком рассматриваемых вы-
полнений токовых защит является то, что в случаях, коrда
На оmклю"
чение
+ ;l
KA
На отlfЛЮ
l'
l'
Рис. 14.7. Схема однофазной то.
ковой защиты от симметричных
переrрузок с оrраниченно-зависи-
мой характеристикой выдержки
времени
Рис. 14.8. Схема однофазной то-
ковой защиты от симметричных
переrрузок с независимой харак-
теристикой выдержки времени
это требуется по условиям кратковременных технолоrиче-
скИх переrрузок, невозможно полное использование пере-
rрузочной характеристики двиrателя при небольших сверх-
токах ввиду часто недостаточных времен срабатывания
защиты (с этой точки зрения лучше схема на рис. 14.7).
Недостатком схем является также невозможность учета
предварительной заrрузки двиrателя и температуры ох-
Jlаждающей среды. Достоинством схем является их про-
стота. Поэтому они продолжают еще довольно широко ис-
пользоваться на практике.
Более совершенные, но и значительно более сложные
схемы токовых защит начаты вЫПуском промышленностью
в комплектных распределительных устройствах (кру) 6
10 кВ. В них защита, подобно защите ротора reHepaTopa от
переrрузок (см. rл. 12), имеет пусковой opraH, функцио-
нальный преобразователь MrHoBeHHoro значения входноrо
напряжения с квадратичной характеDИСТИКОЙ, иНтеrратор,
реаrирующий и выходной opraHbI (см., например, [75]). За-
493
щита рассчитана на работу при температурах окружаю
щеrо воздуха от 20 до +45 ос. Однако изменение темпе
ратуры окружающей двиrатель среды защита учитывать не
может. Она имеет высокий k B пусковоrо opraHa и поэтому
может начинать работу при токах более близких к Iдв,ном,
чем простые токовые защиты; имеет лучшие характеристики
выдержки времени, соответствующие принятому выраже
нию для переrрузочной характеристики двиrателя.
Защиты синхронных двиrателей от асинхронноrо хода.
Простейшие защиты выполняются с использованием тока
статора. Поскольку режим является симметричным, они
включаются на ток одной фазы. При выпадении двиrателя
из синхронизма через измерительный opraH тока проходит
пульсирующий ток (рис. 14.9). OpraH срабатывает в точках
1
Рис. 14.9. Зависимость пульсирую
щеrо тока в синхронном двиrателе,
выпавшем из синхронизма
t
l' и 1", соответствующих пересечению кривой пульсирую
щеrо тока Iдв с прямой тока срабатывания lс,з защиты. Он
начинает возвращаться в исходное состояние в точках 2',
2", определяемых током возврата защиты Iв,з. Для сраба-
тывания защиты необходимо, чтобы ero время возврата t B
превышало паузу t' между точками 2' и 1" или сиrнал
о сработавшем opraHe был расширен до значения t">t'.
На возможность применения этих соотношений для выпол-
нения защиты существенное влияние оказывает ОКЗ дви
rателей, примерно равное 1jX d . Синхронные двиrатели
с О КЗ > 1 по сравнению с двиrателями с О КЗ < 1 имеют
при асинхронном ходе большие значения скольжения, со-
провождаются значительныМи колебаниями тока статора
и малыми t'. Это дает возМожность более эффективноrо
применения для них токовых защит. На рис. 14.10 и 14.11
приведены возможные их исполнения на реле отечествен
Horo производства, разработанные и экспериментально про
веренные в 40-е rоды СРЗиУ ТЭП [1]. Схемы даны в упро
щенном структурном виде. Некоторые практические улуч-
494
шения работы схемы на рис. 14.10 приведены в [75] В схеме
на рис. 14.10 измерительный opraH тока работа т на от-
ключение через лоrический opraH KL, иМеющий выде жк
времени на возврат и O p raH В р еме ни КТ В ру
кт' . ыдержка вре-
мени в рассматриваемой упрощенной схеме выбирает
От а8то
l'
Рис. 14.10. Упрощенная схема токовой
от асинхронноrо Хода (вариант 1) защиты синхронноrо двиrателя
Рнс. .14.11. Упрощенная СХеУ!а то-
ковои защнты синхронноrо двиrа-
теля от асинхронноrо ХОда (вари-
ант II)
На атклfo
+ I
K4?
11
ся большей времени пуска и самозапуска двиrателя (п и
применении соответствующей автоматики). Время возвра а
opraHa KL должно быть больше t' (р и с 1 4 9) В М
u . '. енее со-
вершеннои схеме a рис. 14.11 применен opraH тока с orpa
ниченно зависимои характеристикой выдержки времени
в конструктивном исполнении, обеспечивающем ero невоз-
врат в исходное состояние при снижениях тока до значен u
меньших 1 (р ис 149 ) К ИИ,
В,З '" достоинствам схем относится
их простота и иuноrда возможность использования для за-
щиты двиrателеи от переrрузок (рис. 14.11). к недостаткам
относятся значительная выдержка времени (в основном
495
1 11 ) и малая чувствительность при
для схемы на рис. 4. именяются толь
ОК3< 1 Поэтому защиты практически пр u рес ин
. лей и двиrателеи,
ко для неответственных двиrате я В друrих случаях
хронизация которых не ИСПОЛ:З и ы рассмотренные в
применяются более сложны 'остаточно уни
[75, 79J. Необходимо, однако, OTMeT T:, O HHЫX промыш-
версальных схем COBPeMeHHЬ за ы, признать типовыми,
ленностью, которые можно ыло
пока нет.
Вопросы для самопроверки
1. От каких видов повреждений а : Iма: =:r:рg::ь
мов работы предусма}fиваются
I( синхронных двиrателеи. rборе мак-
2 Как различаются расчетные условия при вь
сим льной токовой защиты асинхронных и синхронных дви
rателей? минимальной защиты напряже
3. Поясните назначение u отв ащается лож
ния асинх р Онных двиrателеи. Как пред р u TV ,;>
п И нарушениях цепеи .
ное срабатывание защиты З Р ащ иты синх р онных двиrателей
4. Как осуществл ются
от асинхронноrо хода.
fлава пятнадцатая
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЗАЩИТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
15.1. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ
Общие вопросы. Как было рассмотрено в rл. u 1, релей о н е а:
ру rих повреждении при св
защита от К3 и некоторых Д абатывания
функционировании В: : Яаее h о ; б ывания при
:; :iе:с:Б ;е иях и несрабать!вания в режима
u Невыполнение каждои из этих функци
повреждении. ый в общем слу
ляется отказом функционирова=:: мК ТО:аботоспособности.
чае не следует смешивать с Т р едставляют соответственно
Отказы функционирования абатывание (отказ He
т iв бн т:)в н ,ж И рНае; т iВаа ие,н з ь :
нирования появляются в рез) льт т
496
техническоrо совершенства и надежности и в целом харак-
теризуют эффективность функционирования защиты и в
значительной мере ее качество. Под защитой в широком
Смысле понимают при этом не только само заЩитное уст-
ройство, но также вторичные цепи измерительных TpaHC
форматоров тока и напряжения, в которых создаются воз
деЙСТВующие на защиту величины, каналы связи, цепи пи-
тания и отключения, оперативноrо тока и друrие
8спомоrательные Устройства.
Существенное влияние на эффективное ОТключение по-
вреждений имеют также коммутацИонные аппараты
прежде Bcero выключатели, отключающие поврежденный
элемент.
Для Повышения эффективности работы защищаемой
. электрической системы следует добиваться необходимоrо
качества защищаемоrо оборудования и сооружений (ли-
ний, распредустройств, КРУ) с учетом ЭКОномической эф
фективности, а также BbIcoKoro уровня эксплуатации. Важ-
ное значение имеют также качество защитной аппаратуры
и правильная ее эксплуатация. В пределах заданных усло
вий Повышение эффективности функционирования защиты
достиrается путем использования разноrо рода резервиро-
вания, которое требует, однако, введения в БОльшинстве
случаев избыточности. Основное внимание при этом уделя
ется резервированию функции срабатывания как защиты,
так и выключателей по той причине, что именно отказ в
срабатывании часто влечет за собой более тяжелые послед
ствия, чем излишние и ложные срабатывания Однако их
предотвращению необходимо уделять должное внимание.
В rл. 1 и последующих рассматривались два основных
способа резервирования отключения поврежденноrо эле
мента дальнее и ближнее. Под дальним Понимается Ta
кое резервирование, при котором в случае отказа сраба
тывания защиты или выключателя элемента повреждение
ликвидируется защитами элементов, смежных с повреж
денными, действующими на отключение выключателей этих
элементов. При этом часто указанные резеРВирующие за
щиты и выключатели располаrаются на друrих электро
установках. Однако ПОД понЯтие дальнеrо резервирования
попадают случаи, коrда смежные элементы расположены
на той же электроустановке, например неОтключенное К3
на линии ликвидируется защитами от сверхтоков aBTO
трансформаторов той же подстанции. Поэтому для большей
четкости были введены [70] дВа термина: удаленное и ме-
497
стное дальнее резервирование. Они имеют свои достоинст
ва и недостатки.
Под ближним понимается такой способ резервирования
отключения поврежденноrо элемента, при котором в случае
отказа срабатывания одной защиты повреждение ликвиди
руется друrой защитой Toro же элемента. Для ближнеrо
резервирования также предл.аrается использовать [70} He
сколько уточняющих вариантов названия, однако они име
ют меньшее значение, чем для дальнеrо резервирования,
и здесь не рассматриваются.
Важным обстоятельством при осуществлении ближнеrо
резервирования является учет отказов в срабатывании BЫ
ключателей, которые, к сожалению, являются отuносительно
частым событием при ликвидации повреждении. Поэтому
при осуществлении ближнеrо резервирования, в первую
очередь в системах с UHoM 110 кВ, предусматриваются
специальные устройства резервирования при отказе вblКЛЮ
чателей (УРОВ), неоднократно упоминавшиеся в rлавах
о защитах с относительной селективностью, поскольку их
наличие влияет на значения выдержек времени ступенча
тых и им подобных защит.
Ближнее резервирование защит и УРОВ образуют cи
стему ближнесо резервирования.
Важными, но сложными для разрешения являются
вопросы обеспечения необходимой надежности функциони
рования защит. Особые трудности возникают при оценке
надежности систем дальнеrо резервирования, которая в Ha
стоящее время может решаться только при системном под
ходе с использованием, например, разработанноrо Н. В. Ba
виным лоrико вероятностноrо метода, упомянутоrо в rл. 1
и подробно pacCMoTpeHHoro в [16]. Однако и он дает только
возможность раздельноrо определения коэффициентов He
rотовности срабатывания, несрабатывания и ложн х cpa
батываний. Желательно было бы иметь комплексныи пока
затель ненадежности или соответственно надежности (см.
rл. 1). Однако использование ero, как и совокупности OT
дельныХ показателей, наталкивается на затруднения, свя
занные со сложностью решения общих теоретических эко
номических проблем. Одним из возможных вариантов при
такой ситуации является принятие некоторЫХ нормативных
коэффициентов, разработанных и предложенных ЭСП
(Э. П. Смирнов).
Более просто MorYT быть решены вопросы оценки Ha
дежности при ближнем резервировании с использованием
498
статистических материалов, собранных и обработанных
Союзтехэнерrо (М. И. Сулимова и др.) и полезно Приме
ненных в [70] для оценки надежности разных вариантов
выполнения ближнеrо резервирования. При использовании
этих материалов необходимо, однако, учитывать их HeKO
торую специфику, сводящуюся к следующему. Отказы, из
лишние и ложные срабатывания MorYT определяться, как
подчеркивалось в rл. 1, не только ненадежностью, но и Tex
ническим несовершенством. Имеющиеся статистические Ma
териалы этоrо обстоятельства обычно не учитывают; по
этому получающиеся в таких случаях данные носят не
чисто надежностный характер. В те же статистические Ma
териалы входят также неправильные действия защит оп
ределяемые ошибками персонала. Для практических оц'енок
эти обстоятельства MorYT быть и полезными. Однако теория
надежности (см., например, [24]) эти обстоятельства не учи-
тЫвает. Поэтому ее формулами при рассматриваемом уче-
те статистических материалов следует пользоваться осмо-
трительно или, во всяком случае, оrоваривать некоторую
усЛовность получаемых данных, что не всеrда делается.
Дальнее резервирование. Дальнее удаленное резерви
рование как единственное широко применяется в сетях
UH()M 35 кВ, а также пока в сетях 110 220 кВ. Ero Heдo
статками часто Являются недостаточная чувствительность
а также то, что при нем обычно полностью нарушается pa
бота элементов подстанций, оказывающихся в зоне резер
ВИрования. Лучшие результаты с точки зрения указанныл
ero особенностей получаются при местном дальнем резер
rровании, которое имеет большие области применения.
ro основным недостатком по сравнению с первым Являет
ся отказ в работе при потере цеНтрализованноrо источника
питания оперативных цепей, который, как правило явля-
ется общим. '
Ближнее резервирование. Оно, как правило, применя
ется в системах с UHOM 330 кВ, однако за последние rоды
все шире используется также в сетях 110 и особенно
220 кВ. Одним из ero существенных недостатков является
отказ при потере общеrо источника оперативноrо тока. По
этому и по некоторым друrим причинам ближнее резерви
рование, как правило, сочетается с дальним. Соrласно тео-
рии надежности результирующий коэффициент ненадеж
ности двух защит, ВЫПОЛНяющих общие функции при
Полностью независимой работе, qреэ===qlq2. однако обычно
появЛяются зависимые отказы. В общем случае их учет,
499
как отмечается в теории надежностИ, может быть ДOCTa
точно сложен. Применительно к тем случаям, которые при
ходится рассматривать при ближнем резервировании, по
правочный коэффициент, как показано в работах ЭСП
(Н. В. Вавин, Э. П. Смирнов), может достиrать двух [27].
Тоrда qрез==2q\q2. Для более полноrо резервирования ближ
нее резервирование в сетях UHOM 110 кВ применяется
совместно с УРОВ. Чем более совершенна система ближ
Hero резервирования, тем менее нужно удаленное дальнее
резервирование. При практическом осуществлении систем
ближнеrо резервирования большое внимание уделяется
повышению надежности вторичных цепей т А и TV, цепей
оперативноrо тока. Так, например, каждая из защит при
соединяется к отдельному сердечнику т А, в зарубежной
практике иноrда применяют для их действиЯ отдельные
электромаrниты приводов отключения выключателей. OTe
чественная промышленность выключателей с такиМИ при
водами не поставляет.
15.2. УСТРОйСТВА РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ПРИ ОТКАЗЕ
вЫКЛЮЧАТЕЛЕй (УРОВ)
Назначение. УРОВ предназначается для ликвидации
с наименьшими потерями повреждений преимущественно
при UHOM 110 кВ, сопровождающихся отказом выключа
теля, и К3 в зоне между т А и выключателем (если приме
няются выносные ТА). Целесообразность использования
УРОВ по первой причине определяется, как отмечалось вы-
ше, тем, что вероятностЬ отказов выключателей в сетях
с UHOM 110 кВ значительно выше, чем вероятность отказа
срабатывания действующей на Hero защиты (см,., напри-
Мер, [70]). УРОВ пускается в действие при срабатывании
защит поврежденноrо элемента и осуществляет отключе-
ние выключателей, смежныХ с отказавшим, с выдержкой
времени, большей времени отключения выключателя. При
этом иноrда при меняется отключение не только смежноrо
выключателя, но и выключателя линии данной электрОУС-
тановки с друrой ее стороны, с помощью, например, снятия
блокирующеrо сиrнала защиты линии.
Принцип действия. Принцип действия УРОВ впервые
был предложен СР3иУ ТЭП и кафедрой Р3иА МЭИ во
второй половине 40 x [одов [1]. Он рассматривается ниже
на примере ero использования на электроустановке со cxe
мой соединений в виде четырехуrольника с выносными т А
500
(рис. 15.1). 3ащита элементов
чена на ТАl и ТА2 ' например линии Wl, вклю
и Q 2 Ко ' . установленные у выключателей Ql
. нтроль их деиствия пр б
нии W 1 осуществляется орrана Р:о::ЬК ИИ защиты ли
ченными соответственно во и КА2, вклю
(использование для этоrо вм вторичные цепи Т Аl и Т А2
реле, фиксирующих положен: твоы рrанов тока лоrических
так как они не Mor Ф лючателя, недопустимо
той W 1 К3 меж д Q YT иксировать неотключенные защи
. у и выносными ТА) П 1\ 3
щаемои зоне, оrраниченной Т Аl Т А2 . ри в защи
. и , защита непосред
На отключение
a'f
На отключение
аз
Т1
В3
а.Ч
TZ wZ
Рис. 15.1. Пример схемы УРОВ ля сх .
уrольника с выносными т А д емы соединении в виде четырех
ственно действует на отключение Q 1 Q2
тельно совместно с КАl и КА2 ( и и дополни
И) соответственно на opraHbI време Лк} НЫ К ПО Т2 схемам
отказе выключателя и б и . При
осуществляется отключС:н еа: I НИИ соотве б тствующеrо КТ
казавшему Нап име ючателя, лижнеrо к OT
opraH КА1'возвр щае яВ случае отказа выключателя Q2
Тоrда защита через кт; CXOДHoe положение, а КА2 нет.
ключение Q3. В результате р водит дополнительное от-
установка линия W2 и тран Ф лючается не вся электро
боте. Аналоrично будет ликв орматор Т2 остаются в pa
т А2, коrда защита линии W /ироваться К3 между Q2 и
Ql и Q2 действуют но токи К3 срабатывает, выключатели
, к месту повреждения про
501
должают проходить через оставшиеся в работе элементы.
Ток возврата (а соответственно и ток срабатывания) КА
принципиально должен выбираться достаточно малым, так
как после отключения контролируемоrо выключателя ток
в нем пропадает. Выдержка времени КТ выбирается боль
ше времени действия выключателя Q с учетом поrрешно
сти КТ и времени возврата КА.
Реальные схемы УРОВ ',оказываются значительно бо
лее сложными, чем схема, прпведенная для рассмотрения
ero принципа действия (см., например, [70]). Это определя
ется стремлением повысить надежность схем УРОВ, исклю-
чить их возможные ложные и излишние срабатывания,
в том числе и по причине неправильных действий пер-
сонала.
Например, в схемах осуществляются автоматическая
проверка исправности выключателя путем дополнительноrо
действия на ero отключение еще от caMoro УРОВ, дополни-
тельный контроль действия на opraH времени контактов
лоrическоrо реле положения выключателей и т. п.
Выполнение схем и их оценка. На практике получили
применение два варианта повышения надежности схем:
схема с использованием вспомоrательноrо opraHa реле
положения «включено» выключателя (рис. 15.2) и схема
с автоматической проверкой исправности выключа,теля пу-
тем действия на ero отключение (рис. 15.3). По первой схе-
ме (предложена В. М. Елфимовым, Мосэнерrо) при оши-
бочном замыкании контакта выходноrо лоrическоrо opra-
о.
На отнлючl'НUl'
СМl'ЖНЫХ 8.'
+ J
+.........r- ............... I
ш K"
8 Цl'пи упра8лl'
НL/.Я О.
От защит злеМl'нта а.
Рис. 15.2. Принцип работы УРОВ с использованием реле положения
«включено»
502
на защиты KL5 действует лоrический opraH KL8 но opraH
врем:ни УРОВ КТ?, даже если opraH тока КАб и еет замк-
нутыи OHTaKT, при этом не запускается, так как размы-
кающии КОнтакт opraHa ПОложения KQC9 выключателя
при включенном ПОложении последнеrо разомкнут, по-
сколь у сиrнала на отключение вЫключателя не было. Во
втор?и схеме (предложена В. М. Ермоленко и В Н к.pa
севои, ОРЗАУМ ТЭП) при ошибочном замыкании 'KO TaKTa
выходноrо u лоrическоrо opraHa защиты KL5, пускающеrо
УРОВ, деИСтвует ero лоrический opraH KL8, подающий сиr-
нал на отключение Q и пуск opraHa времени КТ? через
в.
На отНЛЮЧl'ниl?
СМl'ЖНЫХ а'
.
fJ
"t......r I
KL5 КА5Jlgф
От защит
ЗЛl'Нl'нта В.
Рис. 15.3. Принцип работы УРОВ с автоматической проверкой исправ-
ности выключателя путем действия на ero отключение
контакт opraHa OKa КАб. После Отключения Q opraH КТб,
КОНТРОлирующии наличие тока в элементе, размыкая свой
контакт (если он был замкнут), разрывает цепь пуска
КТ? Таким образом предотвращается ложное срабатыва-
ние УРОВ. Однако если при этом выключатель Q не от-
КЛЮчится, ПРОизойдет ложное срабатывание УРОВ со все-
ми вытекающими из этоrо последствиями, а при Отключе-
нии выключателя Потеря элемента, если он был включен
через один выключатель. Этот недостаток второй схемы не
является u очень существенным для СИСтем сверхвысоких на-
пряжении, для которых ПРИнято ВЫПОЛнять индивИдуаль
ные УРОВ дЛЯ каждоrо выключателя, а не централизован
НЫе, ИСпользуемые в системах более низких напряжений
ВаЖное значение имеют в схемах opraHbI тока, определя
ющие в числе прочих задач также направленность ero дей-
503
ствия. Выполнение надежных, чувствительных opraHoB TO
ка встретило ряд затруднений. В основу выпускаемых
промышленностью opraHoB тока леrла разработка ЭСП
(Е. В. Лысенко). Они выпускаются трехфазными для ли
ний, не имеющих однофазноrо отключения и последующеrо
автоматическоrо включения линии (ОАПВ), или однофаз
ными при наличии последнеrо, коrда защиты линии дейст
вуют на отключение через иsбирательные opraHbI ОАПВ.
ДЛЯ большей надежности при сверхвысоких напряжениях
принято применять удвоенное число opraHoB тока, дейст
вующих по схеме И. В Советском Союзе основные разра
ботки по УРОВ были выполнены большим коллективом
работников СРЗиУ ТЭП и ЭСП. ИЗ зарубежных работ
в этом направлении следует назвать работы Варринrтона
(Великобритания). В настоящее время промышленностью
с учетом приведенных и ряда друrих соображений (см., Ha
пример, [70]) выпускаются индивидуальные УРОВ с ис-
пользованием схемы на рис. 15.3 и централизованные для
более низких напряжений с использованием схемы на
рис. 15.2.
15.3. дуroВЫЕ ЗАЩИТЫ В КРУ
Дуеовымu называются защиты, реаrирующие на повы-
шение давления в ячейке КРУ, вызванное rорением дуrи,
или изменением освещенности ячейки. Указанные явления
возникают при отказе защиты или выключателя в случае
КЗ на отходящих линИЯх 6 или 10 кВ, приводящих К pac
пространению повреждения на ячейку, а затем на шины
и смежные ячейки КРУ. Контакты, связанные с датчиками
давления, или контакты выходных opraHoB светочувстви-
тельных устройств дают сиrнал на отключение ввода от
питающеrо источника. Для предотвращения ложных сраба
тываний при неисправности датчиков вводится блокировка
по току. Защита на подстанциях с упрощенными схемами
электрических соединений может выполняться двухступен-
чатой. С первой выдержкой времени отключается ввод, а с
большей, второй включается короткозамыкатель со сторо-
ны высшеrо напряжения трансформатора [48]. Предсtавля
ется, что появление рассматриваемой защиты является до-
статочно типичной иллюстрацией paccMoTpeHHoro выше по
ложения о том, что на защиту иноrда возлаrаются задачи,
которые более полноценно должны были бы решаться Ka
504
честв.енным выполнением аппаратуры электрических соеди
нении.
15.4. ЗАЩИТЫ НА ОБХОДНЫХ, ШИНОСОЕДИНИТЕЛЬНЫХ
И СЕКЦИОННЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ ШИН
На обходных, шиносоединительных, а в ряде случаев
и на секционных выключателях шин станций и подстанций
устанавливаются комплекты защиты. Назначение и выпол-
нение этих защит определяется тем, в цепь KaKoro из YKa
занных выключателей они включены, и функциями выпол-
няемыми выключателем в схеме соединений. '
На обходном выключателе, заменяющем при необходи-
мости выключатели элементов, обычно предусматривается
комплект защиты, которая может заменить прежде Bcero
:ащиту со ступен:атыми характеристиками присоединен
ых к Шинам линии, так как защита последних обычно про
веряется OДHOBp MeHHO с выключателем. При наличии на
линии быстродеиствующей основной защиты (например
на равленной с ВЧ блокировкой) она может переключатьс
деиствием на обходной выключатель. У основных диффе
ренциальных защит машин (например, защит трансфо Ma
торов блоков) при их работе через обходной выключа ель
соответствующая сторона защиты переключается на ТА
у обходноrо выключателя и обеспечивается подача сиrна-
ла на ero отключение.
б На шиносоединительных выключателях при отсутствии
о ходноrо (схема на высоких напряжениях в настоящее
время при меняется редко) тип устанавливаемых на них
защит обычно выбирается так же как и на об о
ключателях. ' х дных BЫ
На секционных выключателях при наличии специаль
ных защит шин, а также на шиносоединительных но маль'
но включенных выключателях при наличии оБХОДН IХ за=
щиты и еют друrое основное назначение: обеспечение
в аварииных ситуациях более полноценноrо (нап им
лучшеrо по чувствительности) удаленноrо дальнеrо ез:g'
вирования путем разрезания (деления) шин на Части ши
носоединительными и секционными выключателями Част
это достиrается совместно с местным дальн .
ванием, например защитами от внешних КЗ и рте р з:рв ф иро-
маторах, автотрансформато р нс op
в rл 12 и 13 u ах, которые, как указывалось
. , с меньшеи выдержкой времени действ ют
на сеКционные, шиносоедИнительные ВЫключатели и т%ль
505
ко с большей выдержкой времени на выключатели защи
щаемоrо элемента. Это положение ОТНОСИТСя и к защитам
линий (токовым направленным нулевой последовательно
сти, дистанционным), выполняемым с «вывернутыми» по-
следними ступенями (см. rл. 1). При рассматриваемом на-
значении защит на шиносоединительных и секционных вы-
ключателях они выполняются по весьма упрощенным
схемам (см., например, [70])': Необходимо отметить, что де-
лительные защиты часто применяются и для друrих целей:
например, с использованием неселективных резервных сту-
пеней защит с относительной селективностью линий BЫCO
Koro напряжения для обеспечения более селективноrо
действия резервных ступеней друrих защит (см. rл. 5, rл. 6),
а также для деления секций шин низшеrо напряжения на
подстанциях с упрощенными схемами электрических соеди
нений [481 и т. д.
15.5. КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ, ФУНКЦИОНАльноrо
СОСТОЯНИЯ УСТРойСТВ ЗАЩИТ И ИХ ОБСЛУЖИВАНИЕ
Повышение техническоrо совершенства устройств защи-
ты в соответствии с общими условиями развития техники
ведет обычно к их все большему усложнению и может при-
водить к снижению надежности. Следует также учитывать,
что в отечественной практике изделия иноrда поступают к
потребителю в состоянии, не доведенном до возможности
их быстроrо, без тщательных проверок и доводок включения
в работу. Указанные обстоятельства требуют более напря-
женной работы эксплуатационноrо персонала и персонала
производственных лабораторий, постоянноrо повышения их
научно-технической и производственной квалификации.
Для проверки состояния защит всеrда осуществляются
те или иные мероприятия: реrулярный профилактический
контроль, ручные или автоматические тестирования, а в
последние rоды и более rлубокое функциональное диаr-
ностирование. Осуществление диаrностирования при по-
явлении защит на новых элементных базах (например, на
интеrральной микроэлектронике) с малой потребляемой
мощностью облеrчается по сравнению с применявшимися
электромеханическими защитами. Для контроля функцио-
нирования защиты оказываются также полезными устрой-
ства, реrистрирующие действие защит и выключателей; при
этом следует учитывать (см. rл. 1), что, например, К3 TaK
же осуществляют своеобразную проверку функционирова
506
:ия (срабатывания и излиШнеrо срабатывания) защит. По-
ышению качества защит на новых элементных базах бу-
дут также способствовать внедряемые ПРОмышленностью
роrраммируемые стенды для технолоrическоrо контроля
ЫПускаемои продукции. Ряд перечисленных мероприятий
; лжен не только обеспечить повышение уровня эксплуа-
d ии защит, но и создать условия для более Продуктивной
ра оты эксплуатаЦИонноrо персонала.
15.6. АВТОНОМНЫЕ И ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ ЗАЩИТЫ
Релейная защита электрических систем от К3 принци-
пиально может выполняться автономными и централизо
ванными устройствами. Автономные устройства работают
на базе информации, получаемой от даННоrо заЩИЩаеМоrо
элемента системы, например участка линии, и действуют
на ero выключатели. Централизованные устройства рабо
тают на базе информации, получаемой от ряда элементов
объекта (например, охватываемых rлавной схемой элект
рических соединений электрической станции Или сетью
в целом), и ЫДa10T сиrналы на отключеНие необходимых
выключателеи.
Имеется ряд вариантов ВЫполнения централизованных
защит, разрабатывающихся как за рубежом, так и отечест
венными орrаНизациями. Число таких вариантов в послед-
нее время возросло в связи с начавшимся использованием
g : Осуществления защит микропроцессорной элементной
ы. Так, например, разрабатывались централизованные
защиты электроустановки в целом (элементов rлавной схе-
мы Э ( лектр ческих станций), отдельных частей rлавной схе-
ь лИнии ОДНоrо из напряжений, блоков reHepaTop
р нсформатор и т. п.), а также электрической сети в це-
лом (с охватом совокупности всех ее элемен тов) Пр
Me . иэroм
дует смешивать централизованные защиты с комп-
лектными защитами, образованными совокупностью ав то
Номных защит. -
уст РИ осущектзлении централизованной защиты электро-
ный :: 3 -e rо; С иr:Jе : : ЯкПf: ' иi::Р ботан-
тором opraHbI направления мощности (ОНМ) B O ри ко-
В защиты всех элементов, ПРисоединенных к' шин дящие
пользуются не Только в защитах этих элементов ам, Ис-
щите шин. При К3 на элементах действуют ОНМ но и в за-
(например, дистанционных или токовых направле
507
щит нулевой последовательности линий); срабатывать при
этом моrуттолько те из них, в которых мощность КЗ в эле
менте направлена от шин. При КЗ на шинах ОНМ (при
выполнении их с двусторонним действием) указывают Ha
правление мощности КЗ к шинам, обеспечивая их отклю
чение. Таким образом, фиксация направления (знака)
мощности КЗ или токов (при фиксации их полярности) дa
ет возможность выявить место повреждения на элемен
тах, связывающих шины с сетью, или на последних. При
этом необходимо учитывать, что полная мощность на YKa
занных элементах, не имеющих rенерирующих источников
с противоположной стороны (питающих наrрузку), при КЗ
на шинах оказывается направленной от шин, как при внеш
них КЗ, поэтому требуется соответствующая отстройка за
щиты от таких режимов. Проще обстоит дело при исполь
зовании ОНМ, включенных на аварийные слаrающие, так
как их составляющие, например, нулевой или обратной по
следовательности имеют мощности, всеrда направленные от
места КЗ соответственно к заземленным нейтралям сети
или нейтралям reHepaTopoB и наrрузок любоrо вида.
При осуществлении централизованной защиты сети воз-
никают дополнительные трудности, связанные прежде Bce
ro с необходимостью использования каналов связи как для
передачи сиrналов к централизованной защите от отдель
НЫх элементов сети, так и для передачи от нее команд на
отключение поврежденных элементов.
Отечественные разработки цен.трализованных защит на
старых элементных базах исследовались в основном в УПИ
(В. Е. Поляковым и др.) . Трудности здесь возникали при
выявлении поврежденноrо элемента электроустановки без
применения автономных ero защит. В настоящее время
разработки проводятся в ряде орrанизаций, rлавным обра
зом на новой микропроцессорной элементной базе.
За рубежом значительные работы по выполнению цент-
рализованных защит с использованием ЭВМ бьши прове-
дены в Великобритании.
. В настоящее время в отечественной практике, как пра
вило, применяется систеМа построения защиты .ЭiIектриче
ских систем с использованием автономных устроиств. Цент-
рализованные системы пока нашли применение только в OT
дельных случаях. Более широкое применение .они MorYT
получить при использовании микропроцессорнои элемент-
ной базы. Работы в этом направлении ведутся в ряде ор-
rанизаций.
15.7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТ
Уже в самом начале 30 x rоДОв стало очевидным что
проведение расчетов токов КЗ, необходимых для вы'бора
параметров защит и проверки их чувствительности, анали-
тическим путем, с использованием простейших расчетных
средств, требует недопустимо больших затрат времени, а
иноrда и просто затруднительно. Поэтому в ВЭИ Д. А. ro
родским были разработаны и выполнены первые универ-
сальные расчетные столы постоянноrо тока, значительно
ускорявшие производство работ; их Отличительной особен
ностью являлся быстрый набор необходимой схемы систе
мы в предПоложении однородности сопротивлений всех ее
элементов. Вскоре в системах (например, Мосэнерrо по раз-
работке С. А. Ульянова) стали ПОявляться ИНДИвидуали
зированные модели уже на переменном токе предоставляв
Шие для эксплуатации большие возможност . В наст'оящее
Время таКИе модели, значительно более совершенные, ис
пользующие преимущества современной микроэлектроники
успешно эксплуатируются в некоторых зарубежных энерrо
'Системах (например, США и Японии). Ситуация резко из
менилась в конце 50 x начале 60 x rодов, коrда стали дo
'Ступны для широкоrо ИСпользования ЭВМ. Они оказались
Основным средством для расчетов токов КЗ путем ориенти
рования прежде Bcero на мощные ВЫЧислительные машины
(первые из которых разработаны в Советском Союзе
С. А. Лебедевым) были созданы и внедрены в Эксплуата
цию проrраммы расчетов токов КЗ, учитывающие большин
ство факторов, необходимых как при проектировании, так
и при эксплуатации. Наиболее широкое применение полу
Чили при этом проrраммы, разработанные в ИЭД АН УССР
(В. А. Крыловым и др.) и Энерrосетьпроекте (С. Б. Лосе
вым и др.), и модификации последних в ВЫЧИСлительном
центре Мосэнерrо. Однако ИСПОльзование этих проrрамм
Б простых случаях вызывало некоторые затруднения. Эти
затруднения были обусловлены принятым подходом к co
ставлению Проrрамм, по которому от общеrо решения под.
ХОДИЛИ. к частным случаям. НОВЫМ направлением, начав.
шим получать за рубежом все большее признание является
создание так называемых «открытых проrрамм»' (см., Ha
пример, [80), при которых пользователь может, наоборот,
ОСуществлять наращивание Проrрамм для более сложных
случаев. Это направление требует оценки специалистов.
Более Сложным оказался вопрос автоматизации выбора
509
508
собственно параметров защит. 1( их выбору часто продол-
жают подходить, используя как первый этап автоматизации
рассчитанные на ЭВМ токи 1(З. При этом полная автома-
тизация расчетов для защит с абсолютной селективностью
особых затруднений не вызывает и начинает широко внед-
ряться. Для защит с относительной селективностью вопрос
оказался более сложным и пока окончательно не решен-
ным что определилось двумя тесно связанными между со-
бой' обстоятельствами: воз'можной мноrовариантностью
целесообразных решений для ступеней защит с выдержкой
времени (1I IV ступеней) и в связи с этим необходимо-
стью использования последовательности расчетов с приме-
нением диалоrа машина расчетчик. Положительные ре-
зультатЫ при таком подходе достиrнуты в Сибирском отде-
лении ЭСП (М. Я. Ирлахманом и др.). К сожалению,
учебной литературы, систематически излаrающей все отме-
ченные вопросы (как расчетов токов КЗ, так и собственно
выбора параметров защит), пока нет. Имеются только от-
дельные внутренние издания вузов, например ИЭИ
(Е. А. Аржанников), МЭИ (кафедра РЗиА) и др., в кото-
рых освещаются некоторые вопросы расчетов с примене-
нием малых ЭВМ.
Заслуживает внимания использование для выбора па-
раметров защит широкое применение персональных компь-
ютеров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вопросы для самопроверки
1. Поясните назначение УРОВ.
2. Какие два варианта повышения надежности схем
УРОВ получили применение на практике?
3. Какие защиты называются дуrовыми? Определите их
область применения.
4. Какие защиты предусматриваются на обходных и ши-
носоединительных выключателях, а также секционных?
5. Поясните значение профилактическоrо контроля, те-
стирования и функциональноrо диаrностирования в повы-
шении надежности защит.
6. Какие защиты называются централизованными? Ка-
кова перспектива их применения?
1. Федосеев А. М. Релейная защита электрнческих систем. М.
Л.: rосэнерrоиздат, 1952.
2. Атабеков r. И. Теоретические осиовы релейиой защиты высоко-
вольтных сетей. М. Л.: rосэнерrоиздат, 1957.
3. Фабрикант В. Л. Теория обмоток реле переменноrо тока. М.
Л.: rосэнерrонздат, 1958.
4. Фабрикант В. Л. Основы теории построения измернтельиых ор-
raHoB релейиой защиты и автоматики. М.: Высшая школа, 1968.
5. Фабрикант В. Л. Фильтры симметричных составляющих. М.:
rосэнерrоиздат, 1962.
6. Чернин А. Б. Вычислеиие электрических величин и поведенне
релейной защиты при неполнофазиых режимах в электрических систе-
мах. М. Л.: rосэнерrоиздат, 1963.
7. Дроздов А. Д. Электрические цепи с ферромаrнитиыми сердеч-
никами в релейной защите. М.: Энерrия, 1965.
8. Сирота И. М. Переходиые режимы работы траисформаторов то-
ка. Киев. Изд-во АН УССР, 1961.
9. rельфанд Я. С. Релейиая защита распределительных се'];ей. М.:
Энерrия, 1975.
10. Федосеев А. М. Релейиая защита электрических систем. М.:
Энерrия, 1976.
11. Фабрикант В. Л. Дистанциониая защита. М.: Высшая школа,
1978.
12. Шнеерсон Э. М. Динамика сложиых измерительиых opraHoB
релейиой защиты. М.: Эиерrоиздат, 1981.
13. Теоретические осиовы построения лоrическОЙ части релейной
защиты и автоматикиjВ. Е. Поляков, С. В. Жуков, [. М. Проскурин
И др. М.: Эиерrия, 1979.
14. Ванин В. К., Павлов r. м. Релейиая защита иа элементах ана-
лоrовой вычислительной техиики. Л.: Энерrоатомиздат, 1983.
15. Шнеерсон Э. М. Дистанционные заЩl!ты. М.: Энерrоатомиздат,
1986.
16. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнерrетических С,н-
стем. Релейиая защита сетей. М.: Энерrоатомиздат, 1984.
510
511
17. Казаиский В. Е. Траисформаторы тока в устройствах релейной
защиты и автоматики. М.: Энерrии, 1978.
18. Warrington А. R., Van С. Protective relouys, their theory and
practice. London: Chapman and Hall, 1962, Vol. 2, 1966. .
19. Neugebauer Н. Selectivsehutz. Berlin: Verlag Sprmger, 1955. .
20 Смирнов Э. П., Федосеев А. М. Об основных свойствах релеи-
ной за'щнты электроэнерrетнческих снстем от коротких замыканий. М.,
изд. МЭИ. 1974. Вып. 199. С. 3 8. "
21. 3ейлидзои Е. Д., Смирнов Э. П., Федосеев А. М. Основные
свойства релейной защиты от коротких замыкаиий электроэнерrетиче-
ских снстем//ЭлектричеСТ80. 1975. Ng 4. С. 1 7.
22. 3ейлидзои Е. Д. О характере развития особо тяжелых систем-
ных аварнй//Доклады на III Всесоюзном научио-техническом сове-
щаннн по устойчнвостн н надежностн энерrосистем СССР. Л.: Энерrия.
Ленннrр. отд-нне. 1973. С. 49 55.
23. Надежность систем энерrетики: Терминолоrия. Вып. 95. М.:
Наука, 1980.
24. [неденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. Математические
методы в теорин надежностн. М.: Наука, 1965.
25. Смирнов Э. П. Исследованне вопросов выбора критериев и мо-
делей иадежностн релейной защнты н применение их в проектных за-
дачах: Автореф. дис.... канд. техн. наук. М., 1970.
26. Смирнов Э. П. О критернях надежностн/ /Электричество. 1973.
Ng 5. С. 24 28. . .
27. Вавии Н. В. О расчетной оценке надежностн релеинои защн-
ты( /Электричество. 1982. Ng 8. С. 34 39. " .
28. Микуцкий [. В. Каналы высокочастотной связи для релеинои
защиты и автоматики. М.: Энерrня, 1977.
29. Ульянов С. А. Электромаrнитные переходные щ;оцессы. М.:
Энерrия, 1970.
30. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в
электрических системах. М.: Высшая школа, 1978.
31. Лосев С. Б., Черни н А. Б. Вычисление электрических величин
внесимметричных режнмах электрических систем. М.: Энерrоатомиз-
дат, 1983. Р
32. Руководящие указания по релейной защите. :счеты токов
KopOTKoro замыкання для релейной защиты и снстемнои автоматики
в сетях 110 750 кВ. М.: Энерrня, 1979. Вып. 11.
33 Л е С Б Чер нии А Б Расчет электромаrнитных переход-
. ос в . ., . . "
ных процессов для релейной защиты на линиях большои протяженно-
сти. М.: Энерrня, 1972.
34. [етта Т. [., Новелла В. Н. Оценка прнмеиения методов опти-
мальной фильтрации в релейной защнте/ (Электричество. 1988. N2 11.
С. 51 55.
512
35. Clemens Н., Rothe К. Rеlаissсhutztесhпik iп Еlесtrоепеrgiеsу-
stеmеп. Веrliп: Veb Verlag Teehnik, 1980.
36. Руководящие указания по релейной защите. Токовая защита
нулевой последовательностн от замыканий на землю лиННй 11 0 500 кВ.
Расчеты. М.: Энерrия, 1980. Вып. 12.
37. Элемеиты автоматическнх устройств/В. Л. Фабрикаит,
В. П. rлухов, Л. Б. Паперно и др. М.: Высшаи школа, 1981.
38. Дороrуицев В. [., Овчареико Н. Н. Элементы автоматических
устройств энерrосистем. М.: Энерrня, 1979.
39. Реализация проrраммных защнт иа мНкропроцессориой эле-
меитной базе/В. П. Морозкнн, А. М. Федосеев, Ю. А. Барабаиов,
В. Н. Новелла//Электротехника. 1985. Ng 8. С. 55 59.
40. Лейтес Л. В. Электромаrннтные расчеты трансформаторов и
реакторов. М.: Энерrия, 1981.
41. Трансформаторы тока/В. В. Афанасьев, Н. М. Адоньев,
Л. В. Жалалис н др. Л.: Энерrия. Ленннrр. ОТД-ННе, 1980.
42. Королев Е. П., Либерзои Э. М. Расчеты допустнмых наrрузок
в токовых цепях релейной защиты. М.: Энерrии, 1980.
43. Михайлов В. В. Маrннтоднэлектрикн в устройствах автомати-
ки и релейной защиты. М.: Энерrоатомиздат, 1986.
44. Казаиский В.Е. Измернтельные преобразователн тока в ре-
.1ейной защите. М.: Энерrоатомнздат, 1988.
45. Лысеико Е. В. Функциональные элементы релейных устройств
на интеrральных мнкросхемах. М.: Энерrоатомиздат, 1983.
46. Темкина Р. В. Измерительные opraHbl релейной защиты на ин-
теrральных микросхемах. М.: Энерrоатомнздат, 1985.
47. Электротехнический справочник. Т. 3. Кн. I/Пронзводство И
распределение электрнческой энерrнн; Под общ. ред. проф. МЭИ.
В. r. repacHMoBa и др. М.: Энерrоатомиздат, 1988.
48. fельфанд Я. С. Релейная защита распределительиых сетей.
2-е изд. М.: Энерrоатомнздат, 1987.
49. fельфанд Я. С. Выпрямнтельные блокн питаиия и зарядные
устройства в схемах релейной защиты. М.: Энерrоатомнздат, 1983.
50. Zydanowicz Jozef. Еlесtrоепеrgеtусzпа automatyka Zabezpieze-
пiоwа. Warsza\va: Nаukоwо-tесhпiсzпе, 1966.
51. Аржанников Е. А. Дистанцнонный принцип в релейной защите
и автоматнке лнний прн замыканнях на землю. М.: Энерrоатомиздат,
1985.
52. [аевенко Ю. А. Новые тнпы днстанцнонных защнт лнний
электропередачи. М. Л.: rосэнерrоиздат, 1955.
53. [роднев Н. Н., Курбатов М. Д. Лннейные сооруження связи.
М.: Связь, 1974.
54. Левиуш А. Н. Высокочастотная защнта ВЛ 1 1 о ззо кВ. М.,
нзд. В3ПИ, 1989.
33 855
513
55. Левиуш А. И. Высокочастотная защита ВЛ 500 750 кВ типа
ПДЭ-2003. М., изд. ВЗПИ, 1986.
56. Дроздов А. Д., Платонов В. В. Реле дифференциальных за-
щит элементов энерrосистем. ,М.: Энерrия, 1968.
57. Релейная защита и автоматнка ВЛ сверхвысоких напряжений
и мощных [енераторов: Сб. научн. трудов/ВНИИЭ. М.: Энерrоатом-
издат, 1988.
58. Сиротинский Л. И. Техник;а высоких напряжений. М. Л.: [ос-
энерrоиздат, 1945. Вып. 111.
59. Попов И. Н., Лачуrин В. Ф., Соколова r. В. Релейная защита,
основанная на контроле переходных процессов. М.: Энерrоатомнздат,
1986.
60. Сирота И. М. Трансформаторы и фильтры напряжения и то-
ка нулевой последовательности. Киев: Наук. думка, 1983.
61. Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распре-
делительных сетей. Л.: Энерrоатомнздат. Ленинrр. отд-ние, 1985.
62. Ермоленко В. М., Козлов В. И., Красева В. Н. Релейная за-
щнта и линейная автоматика линий электропередач высоких напряже-
ний/ /Электротехника. 1985. N2 8. С. 5 8.
63. Кожин А. Н., Рубиичик В. А. Релейная защита линий с ответ-
влениями. М.: Энерrия, 1967.
64. Кужеков С. Л., Синельииков В. Я. Защита шин электростан-
ций и подстанций. М.: Энерrоатомиздат, 1983.
65. Вавин В. Н. Релейная защита блоков турбоrенератор транс-
форматор. М.: Энерrоиздат, 1982.
66. Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техни-
ки релейной защиты. М.: Энерrоатомиздат, 1984.
67. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М.: Энерrия,
1980.
68. Марrолин Н. Ф., Чернин А. Б. Метод расчета токов .при внут-
ренних коротких замыканиях в синхронных reHepaTopax. М. Л.,
ОНТИ, 1937.
69. Реле защиты/В. С. Алексеев, [. П. BapraHoB, Б. И. Панфилов
и др. М.: Энерrня, 1976.
70. Рубиичик В. А. Резервнрование отключения коротких замыка-
ний в электрическнх сетях. М.: Энерrоатомиздат, 1985.
71. 3асыпкин А. С. Релейная защита трансформаторов. М.: Энер-
rоатомиздат, 1989.
72. Атабеков r. И., Федосеев А. М. Современная релейная защи-
та. М. Л.: rосэнерrоиздат, 1948. .
73. Павликов С. А., Поляков В. Е., Чечушков r. А. Релейная за-
щита трансформаторов: Выбор и расчет rазовой защиты (учебное по-
собие). Челябинск, изд. Челяб. политехн. ин-та, 1983.
74. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхрон-
514
ных двиrателей/Под ред. Л. [. Мамиконянца. М.:' Энерrоатомиздат
1984. '
75. Короrодский В. И., Кужеков С. Л., Паперио Л. Б. Релейная
защита электродвиrателей напряжеиием выше 1 кВ. М.: Эиерrоатом-
издат, 1987.
76. Федосеев М. А. Исследование и разработка защиты мощных
синхронных reHepaTopOB от переrрузок токами обратной последова-
тельности (Тр. ВНИИЭ). М.: Энерrия, 1973. Вып. 42. С. 39 55.
77. rимоян r. r. Релейная защита ropHblX электроустановок. М.:
Недра, 1978.
78. Мамиконянц Л. r. Специальные вопросы электрическнх стан-
ций. М., изд. МЭИ, 1954.
79. Слодарж М. И. Режимы работы, релейная защнта и автомати-
ка синхронных электродвиrателей. М.: Энерrия, 1977.
80. Быстров В. П., Кимельман Л. Б. О разработке комплекса про-
[рамм расчета токов KopoTKoro замыкания/ /Электричество. 1988. .N'2 8.
С. 52 55.
81. Электрические цепи с ферромаrнитными элементами в релей-
ной защите/А. Д. Дроздов, А. С. Засыпкин, С. Л. Кужеков и др. М.:
Энерrоатомиздат, 1986.
82. Федосеев М. А. Технические требования и способ выполнения
защиты мощных турбоrенераторов от снижения изоляции цепи воз-
буждения: Снижение потерь электрической энерrии в энерrосистемах.
М., изд. ВЗПИ, 1988.
83. Шнеерсон Э. М., Федоров Э. К. Дистанционный принцип защи-
ты синхронных [енераторов от асинхронных режимов//Электричество.
1989. .N'2 6. С. 58 63.
84. Смирнов Э. П. Учет фактора надежности при определении при-
веденных затрат на электроэнерrетический объект/ /ЭлектричеСТВQ.
1991. .N'22. С. 16 22.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Абсолютно селективная защита 28,
35, 42 43
АвариЙныЙ режим 56
Аварийные слаrающие .напряже-
ний и токов 56, 257, 264
электрических величин (прин-
цип выделения) 180 181
Авария 9
Автоиомная защита 507 508
Алrебра лоrики 39, 41, 119 120
Апериодическая слаrающая тока
КЗ, влняние на ТА 154 158
Б
Безотказность 30
Ближиее резервирование 23, 496
500
Блокировка при качаниях 261,
263 268
Блокирующий сиrнал 277
Броски намаrничивающеrо тока
трансформаторов и автотранс-
форматоров 105 107
Быстродействие 24
Быстрота срабатывания 27, 28
В
Виды каналов связи 46 48
Виды повреждений 59 60 .
двойное КЗ на землю 75 77
двухфазное КЗ на землю в
сети с rлухозаземленными ней-
тралями 70
изолирован-
иыми нейтралями 70
КЗ между двумя фазами 67
70
однофазное замыкание на
землю 87 89
516
КЗ в сети с rлухозазем-
ленными нейтралями 71 75
разрыв двух фаз 83 84
одной фазы 78 80
сложно несимметричные режи-
мы 84 85
трехфазное КЗ в одной точке
65 67
Воздействующая величина 109
Время разброса 51
Выдержка времени ступени защи-
ты 38, 39, 40
Высокочастотный канал связи 46
48, 277 279, 285
Вычислительная техника в релей-
ной защите 135 142, 509 510
r
[азовая защита 451 452
[азовое реле 453
Д
Дальиее резервирование 23, 49
500
Дискретные ТА 159, 162
Дистанционные защиты линий 232
выбор параметров 235 238
opraHbl сопротивления 232
поведение при качаниях и
асинхронных режимах работы
260 263 .
предотвращение ложноrо дей-
ствия защит при нарушениях
цепей напряжения 270 272
пусковые opraHbl 269 270
устройства блокировки при
качаниях 261, 263 268
памяти 259
Дифференциальная токовая защи-
та линий:
направленная 293, 320 325
поперечная 293, 320
продольная 293
с ВЧ каналом или радио-
каналом 313 314
проводным каналом
294 313
Дифференциально-фазная токовая
защита с ВЧ блокировкой 314
320
Допущенные несрабатывания 23
срабатывания 23
Дуrовые защиты в КРУ 504 505
Защита асинхронных и синхрон-
ных двиrателей:
виды повреждений и ненор
MaJlbHblx режимов работы
477 480
дифференциальная токовая
489
минимальная напряжения (для
асинхронных двиrателей) 490
от асинхронноrо хода (для
синхронных двиrателей) 494
495
сверхтоки переrрузки 480
482
при пониженных и после-
дующих восстановленных на-
пряжениях 482 486
разрыве фазы 489
токовая максимальная 488
от симметричных переrру-
зок 492
Защита reHepaTopoB:
виды повреждений и He!lOp-
мальных режимов работы
З76 384
использующая соотношение то-
ков неосиовных частот в фа-
зах reHepaTopa 408 413
ОДНQCистемная поперечная диф-
ференциальная токовая 393
394
основанная на использовании
rармоник, обусловленных не-
синусоидальностью ЭДС (для
блочных reHepaTopoB) 40 1
от K l) В одной точке цепи
возбуждения 414, 415
K I) во второй точке цепи
возбуждения 416
однофазных замыканий на
землю в обмотке статора
З97 399
переrрузок в цепи возбуж-
дения 424
потери возбуждения с ис-
пользованием opraHa сопро-
тивления 425 427
продольная дифференциальная
токовая 385 390
с включением ИО
только на токи дифференци-
альной цепи и применением
т ALT усиленноrо действия
386 387
торможением от то-
ков плеч 385 387
токовая от Ki 1 ) для reHepa-
торов, работающих на шины
с Т А нулевой последователь-
ности 403 404
несимметричных сверх-
токов 420
симметричных сверхто-
ков 422
Защита линий:
6 1 О кВ 343 344
20 35 кВ 344 345
11 0 220 кВ 345 346
от однофазных замыканий на
землю 326 342
с ответвлениями, особенности
350 353
напряжений
сверхвысоких
347 348
Защита трансформаторов (авто-
трансформаторов) и блоков:
без выключателей со стороны
высшеrо напряжения 467
469
виды повреждений и ненор-
мальные режимы работы 430
432
дифференциальная токовая
436
полупроводниковая с вре-
мя-импульсной отстройкой и
торможением 446
максимальная иапряжения HV-
левой последовательности 472
токовая направленная нулевой
последовательности 462 463
нулевой последовательности
с заземляющим проводом
456 457
517
от внешних замыканий на
землю с разземленной. нейт-
ралью 465
переrрузок 464
с включением ИО на пол-
иые токи фаз 461
пуск устройства пожаротуше-
ния 471
Защита шин 354
дистанциоиная 360 362
дифференциальная токовая
362 372
направленная 359
токовая 357 359
Защитоспособность 26, 27
Защиты на обходных, шииосоеди-
нительных и секционнЫХ вы-
ключателях шин 505 506
Защищаемая зона 38
Зона каскадноrо дейСтвия 323
и
Излишние срабатываиия 24
Измерительная часть защиты 14,
109
Измерительные орrаиы ,14, 109
алrоритм срабатывания 111
анализ работы 112 118
максимальные 110
минимальные 110
область срабатывания 111
параметр срабатывания 110
схема сравнения 11 О
формирования 110
характеристика 111
Изображения схем защит 107
108
Интеrральные микросхемы 129
134
Источники оперативноrо тока 182
192
к
R.аналы связи защиты:
высокочастотные 46 48
оптико-волокониые 45 46
радиоканалы 48 49
с вспомоrательными провода-
мн 44 45
R.аскадное действие защит 205,
289
R.ачаиия 102
R.лассификация реле 12
R.омбинированные отсечки по то-
518
ку И напряжению 214 2i5
Короткое замыкание 9
Коэффициент возврата 121. 198
запуска 198
компенсации 249
неrотовности несрабатыва-
ния 31
срабатывания 31
отстройки 198
полноты замыкания на зем-
лю 88
схемы 198
токораспределения 213
торможеиия 304
трансформации комплекс-
ный 65
трансформаторов напря-
жения 164
тока 148
чувствительности 29, 199
относительный 200
Метод описания и анализа рабо-
ты ИО:
аналитический 112 113
использования векторной ал-
rебры 1l6 117
комплексной плоскости
113 116
плоскости и, 1 (БАХ) 118
статистических испытаний (мо-
делирования) 117
н
Надежность 24, 26 27, 30 35
безотказность 30
долrовечность 30
коэффициенты иеrотовности
31
отказы работоспособности 31
функционирования 31
параметр потока ложных сра-
батываний 31
ремонтоприrодность 30
Намаrни'!ивающий ток трансфор-
маторов тока 148
Направленные защиты:
с БЧ блокировкой 278 286
схема с пуском от не-
направленноrо ПО 280 283
OHM283
285
косвенным сравнеинем элек-
три'!еских величнн поперечные
28 292
продольные 277 288
сочетание с дистанционной
зашитой 286 287
Ненормальные режимы работы 9,
101 107
Неселективиая зашита 35, 43 44
в сочетании с устройством
АПБ 35, 44
л
Лоrическая часть зашиты 14, 109
Лоrические интеrральные схемы
133
opraHbI 14, 118
Ложные срабатывания 24
м
MarHIITHbIe зоиды 161
измерительные преобразовате-
ли тока 161
Максимальные токовые защиты
195 201
направленные 195. 202
207
Междуфазные напряжения 54 55
Метод ПХН 151
Микропроцессор 12, 120, 135, 137
138
Микропроцессориые зашитЫ 12
МикроЭВМ 135
запоминающие устройства
138 140
представление информации
136 137
структурная схема 136
устройства ввода/вывода 140
Мноrопроцессорная вычислитель-
ная система 141
Мертвая зона 258, 259
о
Область несрабатывания 111
срабатывания 111.
Оперативный переменный ток 185
191
схема с дешунтироваиием ка-
тушки отключения 186 187
блоками питания 187
190
предварительно заряжен-
ными конденсаторами 190 -
191
реле прямоrо действия
191
Оперативный постоянный ток
183 185
Операциониые усилители 129
133
Определенне электрических вели-
чин при повреждениях 55
Оптико-волоконный канал 45 46
Оптико-электрониые ТА 159 160
OpraH направления мощности 193,
223 231
полярность (1бмоток 228
принципы включения 228 231
характеристики 225 228
OpraHbl защиты 109
измерительные 14, 109
лоrи'!еские 118
OpraHbI сопротивления:
воздеЙСIВ\ юшие напряжения
и токи 217 253
компенсированные напряже-
ния 251
мертвая зона 244
устранение 244, 500 504
мноrофазные для работы при
всех К(1) 253 254
мноrофазных R.З
256 257
и пофазные, построенные
на использовании только ава-
рийных слаrаЮщих напряже-
ний и токов 257 258
односистемные (мноrофазные)
258
J10фазные для работы при К3
на земл;о 254 256
Особенности защиты блоков [е-
нератор трансформатор (ав-
тотрансформатор) 473 474
Отказ работоспособности 31
Отказы функционирования
излишние срабатывания 24
ложные срабатывания 24
Отключающий сиrнал 348 350
Относительно селективная защи-
та 28, 35, 30 42
п
Параметр срабатывания 110
Первичные измерительные преоб-
разователи:
напряжения см. Траисформа-
519
торы напряжения тока 143
162
э.nектромаrнитные см, TpaHC
форматоры тока
Переrрузки 9
Переходные сопротивления 59 63
Положительные направления 51
54
Поперечная дифференциальиая
токовая направлеиная защита',
лииий 293, 320 325
Принцип наложения 55
Проrраммные защиты 12, 136
Процент правильных действий 34
Пусковой ток электродвиrателя
488
Пусковые opraHbI дистанционной
защиты 269 270
р
Работоспособность 31
Разрешающий снrнал 277
Резервирование 23, 496 500
Реле 11
Релейиая защита:
классификация свойств 24
25
назначение дополнительное 10
основное 10
основная 23
резервная 23
с абсолютной селективностью
28, 35, 42 43
относительной селективно-
стью 28, 35, 30 42
С
Сверхтоки 101
Селективность 24, 25, 26 28
абсолютная 28, 42
относительная 28, 36
Сиrналы блокирующие 277, 288,
313, 352
отключающие 353
разрешающие 277, 278, 313
Симметрнчные составляющие 57
Совершенный трансформатор 144
145
Схемы сравнения 110
формнрования 11 О
Т
Телеотключение 348 350
Техника релейной защиты 12
520
Техническое совершенство 25, 26,
33
Ток возврата 196
компенсации 249
небаланса 172
срабатываиия 194, 195
Токи самозапуска 107
Токовые отсечки 208, 209, 210,211
Токовые и токовые направленные
защиты линий, включаемые на
полные токи и напряжения фаз
193 216
вторая ступень 208, 212 214
первая ступень 208 211
дополнительные opraHbl на-
пряжения 214 215
Токовые и токовые направлениые
защнты нулевой последователь-
ности сетей с rлухозаземлениы-
ми нейтралямн 216 223
выбор пара метров срабатыва-
ния 218
вторая ступень 218
первая ступень 218
последняя 218
Токовые защиты обратной после-
довательности:
reHepaTopoB 381, 41в........422
трансформаторов 4бl 462
Траисреакторы 159, 160 161
Трансформаторы напряжения:
емкостные 162 165
ПИН 162
поrрешности 164, 165
схемы соединений с цепями
напряжения ИО 171 175
электромаrнитные 162 165
Трансформаторы тока 143, 162
167
векторная диаrрамма 147
148
допустимые наrрузки дискрет-
ные 159 162
коэффициент приведения 145
трансформации 145
кратность первичноrо тока
149
предельная 150
маrнитные зонды 159, 161
маrнитный ИП тока 161
оптико электронные 159, 160
работа в переходиых режи-
мах 154 158 .
при rлубоких насыщениях
151 154
схемы соединений с цепями
тока ИО 16в........173
трансреакторы 159 161
условные положительные Ha
правления токов 147
электромаrнитные 158 159
У'
Уравнительные токи при качани-
ях 102
Устойчивость фуикционирования
25, 2в......29
Устройство ввода вывода 140
памяти 244, 259
резервирования при отказе вы-
XJlючателей (УРОВ) 36, 500
584
ф
Фазиые напряжения 55
Фильтры напряжений нулевой по
следовательности 177, 337
обратной последовательно
сти 177 179
токов нулевой последователь
ности 177, 335 337
обратной последовательно
сти 179 180
Функционироваиие релейной за-
щиты 23 35
иадежность 25, 26 27, 30 35
отказы 23 24
устойчивость 25, 26 27, 28
30
х
Характеристики opraHoB:
направления мощности 225
228
сопротивления 239 247
Характеристическая величина 109
Ц
Цеитрализованная защита 507
508
ч
Чувствительность 24, 26, 29
Э
Элементная база opraHoB защиты
12, 109, 120
микропроцессорная 12, 16, 109,
135 142
полупроводниковая 16, 109,
128 134
электромеханическая 16, 109,
120 128
Эффективность функционирования
24 27
быстрота срабатывания 27,28
защитоспособность 26, 27
коэффициент чувствительно-
сти 29
надежность 24 27, 30 35
селективность 24, 25, 26 28
техническое совершенство 25,
26,33
устойчивость функционирова-
ния 25 27, 28 30
or ЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму издаиию
Основные ПРИlJятые сокращения
Введение .
В.1. Назначение релейной защиты
В.2. Развитие техиики релейиой защиты
r л а в а пер в а я. Общие вопросы релейной защиТЫ
1.1. Функции релейной защиты от коротких замыка ий и
основные требования, предъявляемые к ее своиствам
1.2. Принципы выполнения релейной защиты и некоторые
общие положения и соотношеиия, используемые при ее
осуществлении
1.3. Виды каналов связи
1.4. Методы и подходы, применяемые к анализу, еинтезу за
щит и выбору их параметров срабатывания
1.5. Некоторые общие соотношения электрических величин,
используемые в защите . .
1.6. Виды повреждений и требоваиия, предъявляемые к ре-
лейной защите от этих повреждений
1.7. Виды ненормальных режимов работы и требования к
защите, на них реаrирующей
1.8. Описание и изображение схем защит
r л а в а в т о рая. Орrаиы защнты и их элементные базы
2.1. OpraHbI защиты и их своЙства .
2.2. Методы описаиия и анализа р2боты ИО
2.3. Свойства лоrических opraHoB
2.4. Особениости использоваиия электромеханической эле
ментной базы
2.5. Особениостн использования полупроводниковой (микро-
электронной) элемеитной базы .
2.6. Особеиности использоваиия микропроцессорнои элемент-
ной базы
r JJ а в а т р е т ь я. Перв чные измер тельные преобразователи
и их схемы соединении с наrрузкои . .
3.1. Назначение и общие принципы работы
3.2. Измерительные преобразователи тока и их работа в ус-
тановившИХСЯ режимах
3.3. Работа ИП тока в переходиых режимах
3.4. Особениости выполнения ИП тока
522
5
3.5. Измерительные преобразователи напряжения и их рабо-
та в установившихся режнмах
3.6. Работа ИП напряжения в переходных режимах
3.7. Схемы соедииений ИП и цепей устройств защиты
3.8. Схемы соединений Т А и цепей тока измерительных ор-
raHoB, включаемых на полные токи фаз
3.9. Схемы соединеиий Т А и цепей тока измерительных ор-
raHoB для включения на составляющие токов нулевой
последовательности
3.10. Определение допустимых наrрузок на ИП тока
3.11. Схемы соединеиий ИП напряжения и цепей напряже-
ния измерительных opraHoB
3.12. Осуществление фильтров напряжения и тока разных
последовательиостей
3.13. Принцип выделения аварийных слаrающих
3.14. Места включения ИП тока и напряжения иа электро-
устаиовках
r л а в а ч е т в е р т а я. Источники оперативноrо тока
4.1. Осиовиые определения
4.2. Оперативиый постоянный ток
4.3. Оператнвный переменный ток
4.4. Источники оперативиоrо тока защит, использующих по-
лупроводиИковую (интеrральной микроэлектроники) эле
меитиую базу
4.5. Управление приводами отключения выключателеЙ
r л а в а п я т а я. Токовые н токовые направленные защнты
5.1. Общие соображения по токовым и токовым направлен-
ным защитам .
5.2. Максимальные токовые защиты
5.3. Максимальные токовые направлеиные защиты
5.4. Первые и вторые ступени токовых и токовых направ
ленных защит, включаемых на полные токи и напряже
ния фаз .
5.5. Выбор параметров первой ступени защиты, ее защито
способность и чувствительиость
5.6. Выбор параметров второй ступеии защиты, ее защито
способность и чувствительность .. .
5.7. Введенне в токовые и токовые иаправленные защнты
дополнительных opraHoB напряжения .
5.8. Общая оценка токовых и токовых направлениых за
щит, включаемых на полные токи и напряжения фаз
5.9. Токовые и токовые направленные защиты нулевой по
следователыюсти сетей с rлухозаземленными нейтралями
5.10. OpraHbI направления мощности и схемы их включения
иа напряжения и токи
r л а в а ш е с т а я. Дистанционные защиты
6.1. Общие вопросы по дистанциониым защитам
6.2. Выбор параметров защиты ..
6.3. Характеристики орrаиов сопротивления
6.4. Характеристики Zc.p f(f{Jp) opraHoB сопротивления с
двумя воздействующими величинами
7
9
9
15
22
22
35
44
49
51
59
101
107
109
109
112
118
120
128
135
143
143
146
154
158
162
165
167
168
171
173
175
177
180
181
182
182
183
185
191
192
193
193
195
201
208
208
212
214
216
216
223
232
232
235
239
242
523
6.5. Воздействующие напряжения и токИ измерительных op
raHoB сопротивления
6.6. Приндипы выполнения opraHoB сопротивления .
6.7. Мероприятия по устранению мертвых зон у opraHoB co
противления
6.8. Поведение дистандионных защит при качаииях и асинх
ронных режимах работы
6.9. Использованне комплексной плоскости для анализа по
ведения opraHoB сопротивления при качаииях . . .
6.10. Приндипы выполнения " устройств. предотвращающих
ложные и излишнне срабатывания защит при качаииях
6.11. Устройства, включающие защиту при появлении аварий
ных слаrающих на время, достаточиое для ее срабаты
вания .
6.12. Устройства, отключающие защиту при качаниях, с ДBy
мя ПО разной чувствительности
6.13. Пусковые opraHbI дистаидионных защит
6.14. Предотвращение ложноrо действия защит при наруше
ниях их депей напряжения
6.15. Общая оденка и области применения днстандионных
защит
r л а в а с е Д ь м а я. Токовые и направленные защиты с косвеи
иым сравиеиием электрических величин
7.1. Способы выполнения защит . . . . .
7.2. Токовые продольные защиты с блокировкой
7.3. Принднпы выполнения направленных продольных за
щит . . . . . . . .
7.4. Направленные защиты с ВЧ блокировкой . .
7.5. Приндипы действия схем направленных защит с ВЧ бло
кировкой . .. .
7.6. Сочетание дистанционных защит с направленными про.
дольными . . . . . . . . . . . .
7.7. Выполнение новой направленной защиты с ВЧ блоки '
ровкой, выпускаемой промышленностью
7.8. Принцип работы направленных поперечных защит
7.9. Направленная поперечная защита нулевой последова
тельности двух параллельных депей .
r л а в а в о с ь м а я. Дифференциальные токовые и токовые на.
правлеиные защиты
8.1. Способы выполнения защит
8.2. Принцип действия продольной диффереициальной TOKO
вой защиты с про водным каналом
8.3. Ток небаланса, ток срабатывания и чувствительность
продольной защиты с проводным каналом
8.4. Способы повышения чувствительности и отстроенности
продольной защиты с проводным каналом .
8.5. Выполнение продольных дифференциальных токовых
защит с проводным каналом .......
8.6. Продольные дифференциальиые токовые защиты с ВЧ
каналами и радиоканалами . . .
8.7. Дифферендиально фазная токовая защита с ВЧ блоки
ровкой, разработанная ВНИИЭ . . .
524
247
253
258
260
261
263
264
268
269
270
273
275
275
275
277
278
280
286
287
288
289
293
293
294
297
ЗОI
З08
313
314
8.8. Применение поперечных дифференциальных токовых и
токовых направлениных защит
8.9. Поперечные дифферендиальиые токовые направленные
защиты
8.10. Общая оценка использования дифференцнальных за-
щит для линий
r л а в а Д е в я т а я. Защита линий от однофазных замыканий
иа землю
9.1. Требования к защите
9.2. Электрические величины, используемые для действия
защиты
9.3. Фильтры токов и напряжений нулевой последователь
насти
9 4 И кэ (l) .
., спользуемые приндипы выполнения защит от
r л а в а Д е с я т а я. Выбор ПРИНЦИПОв защит линий
10.1. Общие вопросы выполнения защит
10.2. Защиты линий 6 10 кВ
10.3. Защиты линий 20 и 35 кВ
10.4. Защита линий 1 10 220 кВ
10.5. Защита лнннй сверхвысоких напряжений
10.6. Использование телеотключений
10.7. Особенности защит линий с ответвлениями
r л а в а о Д и н н а Д Д а т а я. Защита шии станций и подстанций
11.1. Виды повреждений и требования к защите
11.2. Способы осуществления и виды защит
11.3. Токовые защиты
11.4. Направленные защиты
11.5. Дистандионные зашиты
11.6. Общие вопросы осуществлення дифферендиальных TO
ковых зашит
11.7. Защита одиночной системы шин с торможением на вы'
прямленных токах
11.8. Особенности выполнения дифферендиальной
защнты шин, рабо:.rающих с фиксированным
нением элементов с одним выключателем
11.9. Неполные дифферендиальные защиты
r л а в а Д в е н а Д Ц а т а я. Защита синхронных ('енераторов
12.1. Общие положения
12.2. Основные виды повреждений и ненормальных режимов
работы reHepaTopoB и требования к защитам
12.3. Типы применяемых защит
12.4. Продольные дифферендиальные токовые защиты
12.5. Способы выполиения защиты от витковых КЗ
12.6. Односистемная поперечная дифферендиальная токовая
защита . . .
12.7. Защиты от однофазных замыканий на землю .
12.8. Максимальиая защита напряжения нулевой последова
тельиости промышлеиной частоты
12.9. Защиты от К l), основанные на сравнении rармоиик
нулевой последовательности, определяемых иесинусои
дальиостью ЭДС reHepaTopoB
токовой
присоеди-
320
320
325
326
326
328
335
338
342
342
343
344
345
347
348
350
354
354
355
357
359
360
З62
364
368
371
373
373
376
384
385
391
393
395
397
399
525.
12.10. Защита от 1( 1) блочных reHepaTopoB, использующая
несинусоидальность ЭДС reHepaTopoB и выполнеиная
по разработке ВНИИЭ . . . . . . .
12.11. Способ выполнения защИТ от K I) reHepaTopoB, рабо-
тающих на шины .
12.12. Токовая защита с Т А нулевой последовательности,
имеющим подмаrничивание . . .. . .
12.13. Защита от l( I), ИСПО ,ьзующая соотношение токов не-
основных частот в фазах reHepaTopa . .
12.14. Защиты от повреждеиий в цепях возбуждения
12.15. Токовые защиты от несимметричных сверхтоков
12.16. Защиты от симметричных сверхтоков
12.17. Защиты от переrрузок, осуществляемые в цепи воз-
буждения . ., ..
12.18. Защита от потери возбуждения
12.19. Способы rашения маrнитноrо поля reHepaTopoB
12.20. Особенности защиты сиихронных компенсаторов
r л а в а т р и н а Д Ц а т а я. Защита трансформаторов, автотранс-
форматоров и блоков
13.1. Общие положения. . .
13.2. Внутренние КЗ и требования к защнтам
13.3. Ненормальные режимы работы и требования к защите
13.4. Основные тнпы применяемых защит
13.5. Дифференциальные токовые защиты
13.6. Дифференциальиая токовая защита с комплексной от-
стройкой ОТ токов небаланса .
13.7. Особенности дифференциальных токовых защит с чис-
лом rрупп Т А больше двух
13.8. fазовая защита
13.9. Токовая защита нулевой последовательности с зазем-
ляющим проводом . .
13.10. Комплексные защиты трансформаторов иебольшой
мощности . . .
13.11. Защиты от внешних КЗ .
13.12. Токовые защиты от переrрузок
13.13. Резервные защиты трансформаторов от внешних за-
мыканий иа землю в аварийном режиме с раззем-
леиной нейтралью .
13.14. Особеиности защит при наличии устройств для про-
дольноrо реrулирования напряжения под иаrрузкой
13.15. Особенности защиты трансформаторов (автотрансфор-
маторов) без выключателей со стороны высшеrо на-
пряжения . . .
13.16. Дополнительные устройства . . . . . . .
13.17. Особенности защит блоков reHepaTop траисфор-
матор (автотрансформатор)
f л а в а ч е т ы р и а Д Ц а т а я. Защита асинхроиных и синхрон-
иых двиrателей
14.1. Общие соображения о повышеиии эффективиости про-
тивоаварийной автоматики потребителей . .
14.2. Виды повреждений и ненормальных режимов работы
н требования, предъявляемые к защите
526
401
402
402
408
414
418
422
424
425
427
428
429
429
431
432
434
435
446
448
451
456
457
459
464
465
466
467
470
473
476
476
477
14.3. Типы защит двиrателей 487
14.4. Примеры выполнения защит 487
r л а в а п я т н а д Ц а т а я. Специальиые вопросы защиты
электрических систем 496
15.1. Резервирование. . 496
15.2. Устройства резервирования при отказе выключателей
(УРОВ) ., .. 500
15.3. Дуrовые защиты в КРУ . . . . . . . . . 504
15.4. Защиты на обходных, шиносоединительных и секциои-
ных выключателях шин . . . . . . . . . 505
15.5. Контроль работоспособности, фуикциоизльиоrо состоя-
ния устройств защИТ и их обслуживание. ., 506
15.6. Автоиомные и централизованные защиты 507
15.7. Автоматизация выбора параметров защит 509
Список литературы 511
Предметный указатель 516
Учебное издание
Федосеев Алексей Михайлович
Федосеев Михаил Алексеевич
Релейная защита электроэнерrетических систем
Редактор Л. Л. Жданова
Художественные редакторы В. .А. rоза,, Хозак, Т. Н. Хромова
ТехинческиЙ' редактор Т. С. Соловьева
Корректор Л. А. r ладкова
ИВ N2 1972
Сдано в набор 20.09.91. Подписано в печать 15.01.92. Формат 84Х 108'/".
Бумаrа тнпоrрафская N9 2. rapHHTypa пнтературная. Печать высокая.
Усл. печ. л. 27.72. Усл. Кр.-отт. 27,93. Уч.-нзд. л. 29,72. Тираж з!Юо экз.
Заказ N. 855. С 081
Энерrоатомиздат. 113114, Москва, М-114, Шпюзовая иаб., 10
Изrотовлено в кннжной тнпоrрафнн Мнннстерства печатн
н ннФормацнн Росс ин.
600000. r. Владимнр, Октябрьскнй проспект, д. 7