Трансформатор ТОЛ-20 с вертикальными первичными шинами имеет в названии обозначение ВВ, после обозначения количества обмоток. Напри- мер, ТОЛ-20-3-0,5/10Р/10Р-2500/5 УХЛ2 ВВ.
Трансформаторы тока напряжением 35 кВ и выше выполняются с масляной изоляцией для наружной установки. Наибольшее распространение получили трансформаторы восьмерочного и каскадного типа. Магнитопровод с обмотками помещаются в фарфоровый кожух, который заполняется трансформаторным маслом (рис. 24). Линейные выводы расположены вверху изолятора, измерительные − в клеммной коробке внизу.
Рис. 24. Трансформатор тока для наружной установки 35 кВ
Схемы соединения трансформаторов тока и токовых реле
 |
Показателем, характеризующим схему соединения трансформаторов тока является коэффициент схемы, который определяется как отношение тока в реле I p к току в фазе I ф:
1. Схема полной звезды представлена на рисунке 25.
Схема надежна, чувствительна ко всем видам межфазных замыканий и каждой фазы на «землю», поскольку в каждой фазе установлен трансформатор тока. Рекомендуется использование в сетях на высокой стороне, а также в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Рис. 25. Схема полной звезды
2. Схема неполной звезды (рисунок 26).
Схема не чувствительна ко всем однофазным замыканиям на землю – ее желательно применять в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью.
 |
Рис. 26. Схема неполной звезды
3. Схема «Восьмерки» (рисунок 27).
Схема применяется для защиты от междуфазных замыканий в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью.
Рис. 27. Схема «Восьмерки»
4. Схема «Треугольника» (рисунок 28).
 |
Рис. 28. Схема «Треугольника»
Применяется в основном в дифференциальной защите трансформаторов с той стороны трансформатора, где его обмотки соединены в «звезду». Вторичная обмотка в этом случае соединена в «треугольник», с этой стороны трансформаторы тока соединяются либо полной «звездой», либо неполной.
Кабельные трансформаторы тока (земляная защита)
В сетях с изолированной и компенсированной нейтралью при замыкании фазы на землю токи замыкания небольшие. Отстраивать релейную защиту для протяженных кабельных сетей в этом случае практически невозможно – кабельные линии защищаются земляной защитой. В основе защиты трансформаторы тока особой конструкции.
На рисунке 29 представлен трансформатор предназначенный для питания схем защиты от замыкания на землю отдельных жил трехфазного кабеля путем трансформации возникших при этом токов нулевой последовательности.
Рис. 29. Трансформатор тока ТЗЛМ-110
Трансформатор предназначен для работы с микропроцессорной защитой типа «SEPAM 1000» при номинальном токе 2А с уставками в диапазоне от 0,2 до 30 А, при номинальном токе 20 А − с уставками от 2 до
300 А. Токовая погрешность 5%. Возможна работа трансформатора совместно с реле РТЗ-51.
Сердечник трансформатора тороидальной формы, на котором имеется одна вторичная обмотка, роль первичной обмотки выполняет сам кабель (рис. 30). Трансформатор размещается на кабеле сразу после кабельной воронки (кабельной муфты).
В нормальном режиме в трехжильном кабеле протекают симметричные токи, под действием которых в магнитопроводе трансформатора наводятся симметричные магнитные потоки. Во вторичной обмотке не наводится ЭДС
– сигнала на выходе нет.
 |
Рис. 30. Схема кабельного трансформатора тока
При однофазном замыкании на землю симметричность магнитных потоков нарушается, в результате во вторичной обмотке появляется небольшое ЭДС, небольшой сигнал усиливается в усилителе и поступает в катушку реле.
Оперативный ток: источники постоянного и переменного оперативного тока
 |
Питание оперативных цепей и особенно тех ее элементов, от которых зависит отключение поврежденных линий и оборудования, должно отличаться особой надежностью. Поэтому главное требование, которому должен отвечать источник оперативного тока, состоит в том, чтобы во время короткого замыкания и в анормальных режимах, напряжение источника оперативного тока и его мощность имели достаточную величину как для действия вспомогательных реле защиты и автоматики, так и для надежного отключения и включения соответствующих выключателей.
 |
Наиболее надежными источниками оперативного тока являются независимые источники постоянного тока. К таким источникам относятся аккумуляторные батареи. Разрядный ток конденсатора, имеющий
необходимые величину и продолжительность, может питать оперативную цепь в момент действия защиты независимо от характера повреждения или ненормального режима в сети. Предварительный заряд конденсатора обычно осуществляется в нормальном режиме от напряжения сети. При исчезновении напряжения на подстанции запасенная конденсатором энергия сохраняется. Поэтому заряженный конденсатор может использоваться также для питания защит и автоматов, которые, должны работать при исчезновении напряжения на подстанции. Не смотря на их высокую надежность ИОТ такого типа имеют ряд недостатков: высокую стоимость, необходимость в специальном помещении и в подзарядных устройствах, сложность в эксплуатации.
Самыми ответственными участками считаются цепи защиты, автоматики и питание катушек отключения, которые запитываются с шин управления ШУ. Другим, очень важным участком в оперативных цепях, являются цепи катушек включения, которые питаются от отдельных шин ШВ из-за больших токов (400—500 А), потребляемых катушками включения высоковольтных выключателей. И, наконец, третьим, менее ответственным участком является цепи сигнализации, питающиеся от шин ШС. Остальные потребители постоянного тока (аварийное освещение, двигатели собственных нужд) питаются по отдельной сети. Защита оперативных цепей от коротких замыканий осуществляется предохранителями или спе- циальными автоматами.
В настоящее время широко используются источники выпрямленного оперативного тока − так называемые блоки питания БПТ и БПН. Нестабилизированные блоки питания серии БПН-1002 и БПТ-1002 (рис. 31) применяются в системах автоматики, управления и защиты электротехнических устройств. Блоки питания БПТ-1002 предназначаются для питания выпрямленным током аппаратуры релейной защиты, сигнализации управления, выполненной на номинальное напряжение 110 или 220V, имеют выходную мощность 800-1500 Вт в кратковременном режиме.
 |
Подключаются к трансформаторам тока. Блоки питания БПН 1002 подключаются к измерительным трансформаторам напряжения или в сеть собственных нужд. БПН-1002 могут применяться как совместно с БПТ-1002, так и независимо от них.
Рис. 31. Блоки питания БПН-1002 и БПТ-1002
Для питания релейной защиты в сетях напряжением 6 кВ и выше используют зависимые источники переменного тока – трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, трансформаторы собственной нужды (ТСН).
Трансформаторы тока являются весьма надежным источником питания оперативных цепей для защит от коротких замыканий, так как ток и напряжение в аварийном режиме на зажимах трансформаторов тока увели- чиваются, и в момент срабатывания защиты мощность трансформаторов тока возрастает, что и обеспечивает надежное питание оперативных цепей.
Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при небольших повреждениях и анормальных режимах, не сопро- вождающихся увеличением тока на защищаемом присоединении. Поэтому их
нельзя использовать для питания защит от замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью, защит от витковых замыканий в трансформаторах и генераторах или защит от таких ненормальных режимов, как повышение или понижение напряжения и частоты.
Трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд непригодны для питания оперативных цепей защит от коротких замыканий, так как при коротком замыкании напряжение в сети резко снижается и может в неблагоприятных случаях стать равным нулю. В то же время при повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся глубокими понижениями напряжения в сети, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд могут использоваться для питания таких защит, как, например, защиты от перегрузки, от замыканий на землю, повышения напряжения и т. д.
Дистанционное управление выключателями и их автоматическое включение от АПВ или АВР должно производиться при любых нагрузках и при отсутствии напряжения на шинах подстанции, чего не обеспечивают трансформаторы тока. Поэтому питание цепей дистанционного управления, АПВ и АВР производится от трансформаторов напряжения, трансформаторов собственных нужд и заряженных конденсаторов. Чтобы обеспечить производство операции по включению при отсутствии напряжения на шинах, трансформаторы, питающие цепи управления, подключаются к линиям, питающим подстанцию, или на выключателях устанавливаются механические приводы, действующие за счет энергии поднятого груза или сжатой пружины.
Таким образом, каждый источник переменного оперативного тока имеет свою, рассмотренную выше, область применения. При этом возможность использования того или иного источника определяется мощностью, которую он может дать в момент производства операций. Наибольшие затруднения из-за недостаточной мощности возникают при применении трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.
Основные повреждения силовых трансформаторов
 |
Для защиты трансформаторов используют четыре основных релейных защиты: токовая отсечка − является разновидностью максимальной токовой защиты; максимальная токовая защита; дифференциальная токовая защита; газовая защита – применяется только для маслонаполненных трансформаторов.
Для защиты трансформаторов малой и средней мощности от внутренних повреждений используется токовая отсечка, которая устанавливается со стороны питания. Защита от внешних коротких замыканий со стороны питания осуществляется максимальной токовой защитой МТЗ.
Для защиты трансформаторов большой мощности (более 1000 кВА) от перегрузок используется МТЗ. Защиту от междуфазных и витковых коротких замыканий на выводах и внутри трансформатора большой мощности
выполняет дифференциальная токовая защита ДТЗ, которую необходимо отстроить от внешних коротких замыканий.
Назначение и основные типы защит трансформаторов
Максимальная токовая защита
Максимальная токовая защита МТЗ должна действовать при токах, превышающих максимальные значения, и токах короткого замыкания. В тоже время эта защита должна быть не чувствительна к перегрузкам. Выполняется МТЗ по двум принципам: с временем срабатывания, зависящим от величины тока и с постоянной независимой уставкой времени срабатывания.
Схема со временем срабатывания, независящим от величины тока выполняется на основе реле тока РТ-40 и реле времени (рис. 32).
В цепи питания электромагнита отключения YAT имеется блок контакт выключателя Q:1, который разрывает цепь питания электромагнита при отключении выключателя, так как он не предназначен для продолжительного протекания тока.
Максимальная токовая защита с временем срабатывания зависящим от величины тока выполняется на основе реле тока индукционного типа РТ-80.
Рис. 32. Схема МТЗ силового трансформатора с независимой уставкой времени срабатывания
Токовая отсечка трансформатора
В отличии от максимальной токовой защиты зона защиты токовой отсечки ограничена, так как она отстраивается только на ток короткого замыкания при повреждениях на выводах трансформатора со стороны источника питания. В зону защиты входят выводы трансформатора со стороны питания, вся первичная обмотка и часть вторичной обмотки (рис. 33).
Рис. 33. Схема токовой отсечки трансформатора: а) однолинейная схема защиты, б) принцип действия
Токовая отсечка устанавливается с питающей стороны трансформатора, выполняется на основе реле РТ-40, РТ-80. Ток срабатывания отсечки отстраивается на максимальный ток короткого замыкания при повреждении за трансформатором:
где kз ап – коэффициент запаса. Коэффициент находится в пределах от 1,25 до 1,5 и зависит от точности реле.
Кроме того, уставку токовой отсечки отстраивают от бросков намагничивающего тока силового трансформатора, который появляется при его включении: I с.з.> I нам, при I нам > (3-5) I ном. тр, где I ном. тр – номинальный ток трансформатора.
Дифференциальная защита трансформатора
Для выполнения дифференциальной защиты с двух сторон силового трансформатора устанавливаются трансформаторы тока, определяя зону защиты, в которую входят выводы трансформатора и его обмотки (рис. 34).
 |
Рис. 34. Дифференциальная защита трансформатора
Особенностью дифференциальной защиты трансформаторов является то, что при соединении обмоток трансформатора по схеме звезда – треугольник мы получаем одиннадцатую группу соединения, т.е. сдвиг между ЭДС и токами первичной и вторичной обмоток в 330 градусов. В результате под действие разности ЭДС Δ Е появляется уравнительный ток, которой будет протекать через дифференциальное реле даже в нормальном режиме, что и приведет к срабатыванию защиты. Для компенсации сдвига токов по фазе обмотки трансформаторов тока со стороны звезды соединяются треугольником, а со стороны треугольника звездой. Такое соединение обмоток трансформатор тока обеспечивает компенсацию между первичными и вторичными токами силового трансформатора и при симметричной и при несимметричной нагрузке.
При коротком замыкании в не зоны защиты (точка К2) через реле КА протекает разность вторичных токов равная нулю. Защита не срабатывает. При коротком замыкании в зоне защиты (точка К1) через реле КА протекает сумма вторичных токов и дифференциальная защита срабатывает.
Для того, чтобы дифференциальную защиту можно было отстроить от бросков намагничивающего тока силового трансформатора, схемы защиты выполняются на основе дифференциального реле тока типа РНТ и ДЗТ, которые не чувствительны к апериодической составляющей тока короткого замыкания и к несимметричным токам намагничивания трансформаторов.
Расчет релейной защиты трансформатора заводской подстанции
По условию технического задания необходимо выполнить расчет максимальной токовой защиты и дифференциальной токовой защиты двухобмоточного трансформатора мощностью 63 МВА и напряжением 110/10 кВ. Источником питания является энергосистема мощностью 3000 МВА с
сопротивлением x с * = 0,35 о.е. Трансформатор связан с энергосистемой воздушной линией протяженностью 8 км. Линия выполнена проводом, сечение которого соответствует сопротивлению R ВЛ = 0,118 Ом/км.
Определяется максимальный длительный ток в первичной и вторичной обмотке трансформатора:
 |
Составляется расчетная схема (рис. 35).
|
| 0,35 | ~ | 3000МВА 110 кВ | |
| К2 | 8 км 0,118 Ом/км | |||
| 63 МВА | ||||
| 11% | ||||
| К1 | 10 кВ |
Рис. 35. Расчетная схема
Проставляем на расчетной схеме точки короткого замыкания К1 и К2. Составляем схему замещения для каждой точки (рис. 36). Определяем индуктивное сопротивление всех элементов цепи, через которые протекает ток короткого замыкания. Сопротивление воздушной линии длиной 8 км составляет:
где
(R
X 0 ВЛ
является индуктивным сопротивлением провода АС-240/
км
).
ВЛ км
Сопротивление трансформатора определяется по формуле:
 |
где U кз – напряжение короткого замыкания для трансформатора типа ТДН – 16000/110 (данные каталога).
Рис. 36. Схемы замещения для точек К1 и К2
Результирующие сопротивления для каждой точки определяется следующим образом.
За базисное напряжение U б принимаем напряжение той ступени системы электроснабжения, где находится точка короткого замыкания:
Определяем базисный ток на стороне высокого и низкого напряжения:
 |
В системе неограниченной мощности периодическая составляющая тока
в переходном режиме короткого замыкания остается практически неизменной.
Системой неограниченной мощности считается энергосистема, в которой при любых аварийных режимах напряжение на шинах энергосистемы остается практически неизменным. Находим периодическую составляющую тока короткого замыкания:
 |
Определяем ударный ток короткого замыкания:
где k уд1 и k уд2 − ударные коэффициенты из справочных данных. Находим тепловой импульс тока короткого замыкания:
где t отк– время, состоящее из времени отключения выключателя и времени срабатывания релейной защиты; Та – время затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания. Определяется по справочным данным. Величина Та зависит от места нахождения точки короткого замыкания в схеме электроснабжения. Если точка короткого замыкания находится за воздушной линией напряжением 110 кВ, то Та1 = 0,02 с. При расположении точки короткого замыкания на распределительной сети напряжением 6 кВ время затухания апериодической составляющей Та2 = 0,01с.
Выбираем трансформаторы тока напряжением 110 кВ и 6 кВ по четырем параметрам: U уст, Imax ВН, i уд и В к.
Тип трансформатора ТФЗМ 110Б-IIУ1. Обоснование выбора сведено в таблицу:
| Расчѐтные данные | Паспортные |
| Uуст = 110 кВ | Uном = 110 кВ |
| ImaxВН = 463,44 А | Iном = 600 А /5 А |
| iуд1 = 27,5 кА | iдин = 126 кА |
| Вк1 = 199,45 кА2∙с | I2тер∙tтер = 262∙3 = 2028 кА2 ∙ с |
Тип трансформатора ТШВ - 15. Обоснование выбора также сведено в таблицу:
| Расчѐтные данные | Паспортные |
| Uуст = 10 кВ | Uном = 10 кВ |
| ImaxНН = 5098,3 А | Iном = 6000 А /5 А |
| iуд2 = 49,3 кА | iдин = 100 кА |
| Вк2 = 885 кА2∙с | I2тер∙tтер = 202 ∙3= 1200 кА2∙с |
Определяем ток срабатывания максимальной токовой защиты на стороне высокого и низкого напряжения трансформатора:
где k зап – коэффициент самозапуска двигателя, учитывающий бросок тока при
пуске двигателей. Так как к линии не подключены двигатели, то k зап = 1; k н – коэффициент надежности отстройки защиты, принимаем равным 1,5;
kс х – коэффициент схемы соединения трансформаторов тока. Обмотки трансформаторов тока на высокой и низкой стороне соединены по схемам полной и неполной звезды соответственно, поэтому k сх = 1 и в том и в другом случае; k В– коэффициент возврата реле, принимаем равным 0,85; k ТТ – коэффициент трансформации трансформатора тока.
Расчет дифференциальной токовой защиты трансформатора начинаем с определения тока силового трансформатора на стороне высокого и низкого напряжения:
Определяем вторичный ток в плечах дифференциальной токовой защиты:
Определяем ток небаланса:
 |
где kа – коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей
тока короткого замыкания. Так как мы выбираем для ДТЗ дифференциальные реле типа РНТ-565 в основе которых быстронасыщающиеся трансформаторы, то принимаем kа = 1. kодн– коэффициент однотипности условий работы трансформаторов тока. Если трансформаторы тока обтекаются близкими по значению токами, то kодн = 0.5, в остальных случаях – 1. f – погрешность трансформатора тока, удовлетворяющая десятипроцентной кратности, и соответственно равная 0,1. IКЗmax – наибольший трехфазный ток короткого замыкания при внешнем (сквозном) коротком замыкании. Выбираем наибольший ток среди расчитанных периодических составляющих тока короткого замыкания и определяем ток небаланса:
Определяем ток срабатывания реле по условию отстройки от тока
небаланса с коэффициентом надежности 1,3 и без учета коэффициента возврата реле:
Коэффициент схемы и трансформации тока выбирается по условию выбора тока короткого замыкания максимума. На какой стороне выбирается ток, на той стороне и выбирается коэффициент.
Определяем число витков основной (дифференциальной) обмотки трансформатора БНТ реле РНТ-565:
Находим число витков вторичной обмотки быстронасыщающегося трансформатора:
 |
Определяем уточненный ток небаланса:
 |
Суммарный ток небаланса:
 |
Определяем уточненный ток срабатывания реле:
Определяем коэффициент чувствительности:
 |
Защита трансформаторов, включенных по упрощенной схеме коммутации
Упрощенная схема коммутации (на отделителях и короткоза- мыкателях) выполняется, как правило, на высокой стороне подстанций глубокого ввода ПГВ, а также на подстанциях, выполненных по блочной схеме. Защита трансформаторов включенных по упрощенной схеме приведена на рисунке 37.
 |
Рис. 37. Защита трансформатора по упрощенной схеме коммутации
Рассмотрим процесс отключения трансформатора. По команде релей- ной защиты трансформатора РЗТ с помощью электромагнита YAC замыкается контакт короткозамыкателя QN, замыкая одну из фаз на землю. В сети начинает протекать ток короткого замыкания, к которому чувствительна защита на узловой подстанции УРП. Выключатель Q отключает всю транзитную линию электропередач ЛЭП. В эту бестоковую паузу автоматически срабатывает отделитель QR, отключая трансформатор от ЛЭП. Следом устройство АПВ повторно включает линию.
Реле тока КА необходимо для того, чтобы отделитель QR срабатывал только в том случае, если в линии нет тока короткого замыкания. В момент замыкания ножа короткозамыкателя QN срабатывают и его блок-контакты QN:1, и если контакты реле KA замкнуты, то питание поступает на электромагнит YAT, который отключит отделитель QR.
Для предотвращения отключения отделителя QR раньше, чем будет отключена линия, в схеме устанавливается реле времени KT, выдержка времени которого должно составлять от 0,2 до 0,3с. Теперь, если блок-контакты QN:1 замкнуться раньше, чем сработает нож короткозамыкателя, (контакты реле KA замкнуты) импульс на срабатывание отделителя поступит с гарантированной задержкой.
Для срабатывания короткозамыкателя и отделителя необходимо использовать независимые источники питания, т.к. питающая линия отключена.
Защита электрических двигателей
Защита электродвигателей должна быть чувствительна не только к внутренним повреждения, но и к различным анормальным режимам. Рассмотрим основные повреждения в двигателях и способы защиты от них.
Замыкание между фазами обмотки статора. Для защиты обычно используется токовая отсечка, которая отстраивает от пускового тока. Для двигателей мощностью 2000 кВт возможно использование дифференциальной токовой защиты ДТЗ. Для двигателей мощностью 5000 кВт и выше ДТЗ обязательна. Если двигатели выполнены на напряжение, меньшее 500 В, то защита от коротких замыканий осуществляется предохранителями.
Снижение питающего напряжения. Двигатель отключается при снижении напряжения сети в диапазоне от 70 до 80% от номинального значения. Защита от снижения напряжения выполняется с помощью трансформатора напряжения и реле напряжения без выдержки времени. Схема защиты высоковольтного асинхронного двигателя представлена на рисунке 39.
Замыкание одной из фаз на землю (на корпус). Защита выполняется с помощью индукционного реле типа РТ – 80, при условии, что ток замыкания на землю в двигателях до 2000 кВт больше 5 А, а у двигателей свыше 2000 кВт больше 10 А. Защита от замыканий на землю срабатывает без выдержки времени выполняется с помощью трансформаторов тока, причем трансформаторы соединяются по схеме «восьмерка».
Перегрузка. Защита отстраивается по времени спадания пускового тока.
Рис. 38. Схема защиты высоковольтного асинхронного двигателя
Защита линий электропередач с односторонним питанием
Для защиты линий с односторонним питанием используют комплекты максимальной токовой защиты МТЗ с реле косвенного действия, которая устанавливается в начале каждого участка линии.
Поскольку МТЗ срабатывает с выдержкой времени, то каждая защита отстраивается по ступенчатому принципу согласно диаграмме (рис. 39).
Рис. 39. Ступенчатый принцип определения выдержки времени
При коротком замыкании в точке К1 срабатывают максимальные токовые защиты на всех трех участках, т.к. ток короткого замыкания притекает в точку
короткого замыкания от источника. Поскольку третья защита имеет наименьшую выдержку времени, то она срабатывает первой, отключая третий участок линии электропередач. Остальные защиты возвращаются в исходное положение, не успев воздействовать. Таким образом произошло селективное отключение третьего участка цепи.
Все защиты отстраиваются с учетом ступени селективности, которая должна составлять 0,35 – 0,6 с.
Защита линий электропередач с двухсторонним питанием (направленная защита)
В электроэнергетических системах, как правило, все элементы сети оказываются закольцованными, при этом любой участок линии электропередач получает питание с двух сторон. При коротком замыкании в любой точке линии, ток короткого замыкания в эту точку притекает с двух сторон, поэтому обычная максимальная токовая защита оказывается не чувствительной. В таких сетях используется направленная МТЗ, которая действует только при определенном направлении мощности короткого замыкания и выполняется на основе реле направления мощности индукционного типа РБМ – 170 (рис. 40).
Комплекты направленной МТЗ устанавливаются в начале и в конце каждого защищаемого участка, при этом реле РБМ отстраиваются на направление мощности тока короткого замыкания, т.е. каждое реле срабатывает при направлении мощности к.з. от шин подстанции в линию.
Пусковым органом защиты, разрешающим ее работу, является реле тока КА, которое замыкает контакты при наличии тока короткого замыкания. Затем должно срабатывать реле мощности KW, катушка напряжения которого подключается через трансформатор напряжения к шинам подстанции, а токовая катушка через трансформатор тока в защищаемую линию. Это реле замкнет контакты при условии направления мощности от шин подстанции в линию.
Сигнал с реле мощности поступает на реле времени. Затем срабатывает промежуточное реле KL и электромагнит отключения YAT.
Рис. 40. Схема направленной защиты
Выдержка времени для каждого реле отстраивается у каждого комплекта индивидуально из условия селективности. Диаграмма выдержек времени представлена на рисунке 42. При коротком замыкании в точке К1 срабатывают защиты KW1, KW3, KW4, KW6, KW8, но наименьшую отстройку по времени имеют защиты KW3 и KW4, поэтому они срабатывают первыми, отключив второй участок линии. Остальные защиты вернутся в исходное положение.
Рис. 41. Диаграмма отстройки направленной
Защиты линии
Продольная дифференциальная токовая защита линии с односторонним питанием
Дифференциальная защита обеспечивает отключение короткого замыкания в зоне защиты без выдержки времени. Существует два вида дифференциальных токовых защит ДТЗ − продольная и поперечная.
Дифференциальная защита ДТЗ линий с односторонним и двухсторонним питанием выполняются по разным принципам. Для выполнения продольной ДТЗ в начале и конце линии устанавливаются трансформаторы тока TA1 и TA2 (рис. 42). Вторичные обмотки трансформаторов соединяются между собой
специальными контрольными кабелями.
Рис. 42. Схема продольной защиты линии с односторонним питанием
При коротком замыкании в зоне защиты (точка К1) ток в точку к.з. притекает с одной стороны, через реле тока КА или дифференциальное реле протекает разность токов вторичных обмоток трансформаторов ТА, эта разность не равна нулю и защита срабатывает. При коротком замыкании вне зоны защиты (точка К2) трансформаторы ТА обтекаются практически одинаковыми токами, разность токов через реле равна нулю – защита к ним не чувствительна.
К достоинствам дифференциальной защиты относится быстродействие и надежность. К недостаткам можно отнести возможность ложного срабатывания при обрыве одного из контрольных кабелей и ее высокую стоимость.
Продольная ДТЗ линии с двухсторонним питанием
В отличие от линий с односторонним питанием, при коротком замыкании в зоне защиты, токи к.з. притекают в точку короткого замыкания с двух сторон, вторичные токи трансформаторов ТА протекают через обмотку реле тока КА в одном направлении, поэтому они складываются и защита срабатывает (рис. 43). При коротком замыкании вне зоны защиты (в точке К2) вторичные токи трансформаторов ТА протекающие через обмотку реле тока КА встречного направления, поэтому через реле равен их разности и защита не срабатывает.
Рис. 43. Схема продольной ДТЗ линии с двухсторонним питанием
Поскольку трансформаторы тока ТА так или иначе отличаются друг от друга, то во вторичной цепи циркулируют токи небаланса от которых необходимо защиту отстраивать. Для уменьшения тока небаланса необходимо выбирать трансформаторы тока с идентичными характеристиками
намагничивания, а также специальные трансформаторы для дифференциальных защит класса Д.
Поперечная дифференциальная защита линии
Поперечная дифференциальная защита устанавливается на параллельных кабельных или воздушных линиях, имеющих одинаковое сопротивление. В линиях с односторонним питанием защита устанавливается со стороны источника питания (рис. 44).
 |
Рис. 44. Схема поперечной ДТЗ линии
Поперечная защита не реагирует на внешние короткие замыкания и токи нагрузки, поэтому ее выполняют без выдержки времени и не отстраивают от токов нагрузки.
При коротком замыкании в точке К токи I 1 и I 2 притекают в эту точку с двух сторон, причем соотношение токов и сопротивлений будет пропорционально:
где Z 1 = Z л – Z кв; Z 2 = Z л + Z кв; Z л – полное сопротивление линии.
С перемещением точки короткого замыкания к шинам подстанции В изменяются соотношение сопротивлений Z 1и Z 2: Z 1 растет, а Z 2 уменьшается. Соответственно и изменяется соотношение токов I 1и I 2: I 1 уменьшается, I 2 − растет.
Ток через реле тока определяется I p I 1 I 2, поэтому ближе к шинам
подстанции В снижается до нуля. Ток срабатывания защиты оказывается больше, чем ток в реле защиты IС.З>IP. Граница зоны защиты определяется участком шириной m. Эта мертвая зона является недостатком поперечной защиты, т.к. требуется установка дополнительной релейной защиты шин подстанции В.
 |
Автоматическое повторное включение
Автоматическое повторное включение АПВ служит для обеспечения надежности электроснабжения потребителей. В электрических сетях возможны самоустраняющиеся короткие замыкания, обусловленные схлестыванием воздушных проводов при ветре, различными набросами на провода, закорачиванием воздушных изоляционных промежутков, птицами, животными и пр. Автоматика повторно включает электроустановку, восстанавливая схему электроснабжения. АПВ используется в схемах упрощенной коммутации трансформаторов на подстанциях.
Автоматическое повторное включение делят на однократные, двукратные и многократные. Наименьшее время срабатывания АПВ 0,5 − 1,5 с. Схема однократного АПВ линии представлена на рисунке 45.
Рис. 45. Схема однократного АПВ линии
Контроль за током в линии осуществляет реле тока КА, подключаемое в линию через трансформатор тока ТА. При коротком замыкании в линии катушка реле получает возбуждение и его контакты КА:1 в цепи 1 замыкаются, электромагнит отключения YAT получает питание и выключатель Q срабатывает, отключая линию. Блок-контакты выключателя Q:3 в цепи 4 замыкаются, питание приходит на указательное реле KH, которое замыкает свои контакты в цепи 2 и на электромагнит включения YAC, который включает выключатель. При этом размыкаются его блок-контакты Q:3 и замыкаются Q:2. Питание получает катушка промежуточного реле KL, его контакты KL:1 ставят себя на самопитание, а контакты KL:2 разрывает цепь питания электромагнита отключения YAC. Сделано это для того, чтобы в случае включения линии на устойчивое короткое замыкание она была отключена защитой и повторного включения выключателя не произошло.
Для приведения схемы однократного АПВ в исходное положение, необходимо кнопкой SBT разорвать цепь питания катушки промежуточного реле KL.
Автоматическое включение резерва
Во всех случаях, когда перерыв в электроснабжении недопустим, должно предусматриваться автоматическое включение резервного питания (АВР). В электрических и сетях и энергосистемах эффективность действия АВР состав- ляет 90-95 %, что и обуславливает его широкое применение. Устройство АВР может выполняться как на оперативном переменном так и на оперативном постоянном.
Действие АВР должно быть однократным. Пусковым органом схемы является реле минимального напряжения, которое обеспечивает запуск схемы АВР при исчезновении напряжения на питающем источнике.
 |
Схема АВР резервного ввода
Рассмотрим схему АВР, выполненную на резервном вводе (рис. 46). В нормальном режиме выключатель SF 1 включен, SF 2 – отключен, питание осуществляется от трансформатора Т, контроль за напряжением на шинах осуществляет реле напряжения KV, включенное через трансформатор напряжения TV. При исчезновении напряжения на шинах, реле KV теряет
 |
возбуждение и замыкает свои контакты в цепи 3, реле времени KT замыкает свои контакты KT:1, электромагнит отключения YAT 1 отключает автомат SF1. При этом блокконтакты SF 1:1 замыкаются. Питание получает блокировочное реле 2 К, которое замыкает свои контакты в цепи 7. Электромагнит включения YAC 2 включает выключатель SF 2 резервного ввода, при этом его блокконтакты SF 2:1 в цепи 4 размыкаются и блокировочная катушка реле 2К оказывается включенной последовательно с высокоомной катушкой промежуточного реле KL.
Рис. 46. Схема АВР резервного ввода
Мощности для срабатывания контакта реле 2 К недостаточно. Выполнено это для того, чтобы в случае включения резервного ввода на короткое замыкание выключатель SF 2 был отключен защитой и повторного включения не произошло, т.к. цепь питания электромагнита включения YAC 2 разорвана
контактами реле 2 К. Переключатель SA служит для перевода схемы из ручного режима в автоматический. Для возвращения схемы в исходное положение так же служит переключатель SA, который обесточивает катушку промежуточного реле KL.
Схема АВР на секционном выключателе
Для приведения схемы автоматического включения резервы на секционном выключателе в исходное положение включается автома- тический выключатель SF, переключатели SA 1; SA 2 устанавливаются в положение АВР (рис. 47).
При этом питание приходит в цепочки 10,11,12, запускается двигатель, который взводит пружину привода секционного выключателя Q 3. По окончании взвода пружинного привода срабатывает конечный выключатель SQ, двигатель останавливается и в цепочке 7 замыкаются контакты SQM, кроме того питание приходит на реле блокировочное KBS, которое замыкает свои блок-контакты KBS:1. Питание получает электромагнит включения секционного выключателя YAC 3, но поскольку включен он последовательно с высокоомной лампой HL и сопротивлением R 1, мощности для его срабатывания недостаточно. Загорается сигнальная лампа готовности привода HL.
Рассмотрим работу схемы АВР находящейся в исходном положении. При исчезновении напряжения на первой секции шин, реле напряжения KV 1, KV 2 теряют возбуждение, замыкают свои контакты в цепи 1. Реле времени KT 1 с выдержкой времени замыкает контакты в цепи 2, реле промежуточное KL 1 – в цепи 3; электромагнит отключения YAT 1 выключает выключатель Q 1. Его блок- контакты в цепи 7 Q 1:3 замыкаются, шунтируют лампу HL с резистором R 1.Катушка электромагнита YAC 3 получает полное питание и секционный выключатель Q 3 включается.
Рис. 47. Схема АВР на секционном выключателе:
а — упрощенная схема подстанции и схема подключения реле напряжения; б — схема АВР
Блок-контакты выключателя Q 1 в цепи 11 размыкаются, обесточивая реле KBS, которое с выдержкой времени размыкает свои контакты в цепи 7 (после срабатывания YAC 3). Это необходимо для того, чтобы в случае включения выключатель Q 3 на короткое замыкание, он отключился защитой, и повторного включения не произошло, так как контакты KBS:1 разорвали цепь питания электромагнита YAC 3.
Автоматическая частотная разгрузка
Одним из основных показателей качества электрической энергии является частота тока, равная 50 Гц. Снижение частоты тока происходит при перегрузке синхронных генераторов на электростанциях, поэтому для восстановления нормальной частоты предпринимаются мероприятия по их разгрузке. Ступенями и поочередно с помощью устройства автоматической частотной разгрузки АЧР отключается часть потребителей.
Для отстройки от снижения частоты вследствие короткого замыкания или в результате кратковременного перерыва питания потребителей при работе устройств АПВ, АВР автоматическая частотная разгрузка начинает действовать после выдержки времени. Выдержка времени позволяет исклюю-чить необоснованное отключение потребителей.
АЧР должна обеспечить быструю разгрузку для предотвращения лавинообразного снижения частоты. При частоте тока 48 – 49 Гц отключение потребителей производится с выдержкой времени (табл.2).
|
Контроль за частотой тока осуществляет индукционное реле частоты типа ИВЧ или полупроводниковое реле типа РЧ. Подключение потребителей производится в обратном порядке устройством автоматики ― частотной АПВ. ЧАПВ начинает подключение потребителей к источнику при частоте 49,5 Гц. Время срабатывания первой ступени ЧАПВ составляет 10-20 секунд, следующей – 5с.
Схема АЧР по скорости изменения частоты представлена на рисунке 48.
 |
Рис. 48. Схема АЧР по скорости изменения частоты
При снижении частоты срабатывает реле частоты KF 1, которое замыкает свои контакты в цепи 1; промежуточное реле KL 2 получает питание и замыкает свои контакты, срабатывают реле времени KT 4 и KT 7. Реле времени KT 4 начинает отсчет времени для отключения специальной очереди – 25 с. Реле KT 7 особой конструкции, электродвигательное. Контакты его, отключающие с третьей очереди по девятую, в нормальном состоянии замкнуты полуметаллическим кольцом. При срабатывании, контактное кольцо начинает вращаться, по очереди размыкая свои контакты. После отключения нагрузки по
команде от реле KT 7 срабатывает реле частоты KF 5, питание получает
|
Время от подачи импульсов до замыкания контакта отключающего третью очередь определяется из соотношения
t = 0,5 Т с – 0,7 Т с,
где Т с – постоянная времени энергетической системы, находится в пределах от 4 до 10 секунд.
Автоматика в схемах компенсирующих устройств
Компенсация реактивной мощности на промышленных предприятиях обеспечивает экономичность работы системы электроснабжения и качество электроэнергии. Потребность в реактивной мощности, вырабатываемой конденсаторными установками, зависит от графика нагрузки отдельных потребителей. Если конденсаторная установка включена, а нагрузка на шинах уменьшилась, то возникает режим перекомпенсации, что приводит к увеличению емкостной составляющей тока нагрузки, возрастает напряжение на шинах и в линиях, увеличиваются электрические потери. С увеличением нагрузки на шинах напряжение уменьшается, возникает режим недокомпенсации, поэтому автоматика должна включить конденсаторную установку.
Схема регулирования мощности конденсаторной установки по напряжению на шинах подстанции
Схема используется в том случае, если требуется обеспечить минимальное отклонение рабочего напряжения от номинального. Регулирование мощности конденсаторной установки, а следовательно и напряжения производится ступенями. Схема одноступенчатого автоматического регулирования мощности конденсаторной установки представлена на рисунке 49.
 |
Контроль за напряжением на шинах подстанции осуществляет реле напряжения KV. При снижении напряжения во время пиковых нагрузок, реле теряет возбуждение и замыкает свои контакты в цепи 8, срабатывает реле времени KT 1, которое замыкает свои контакты в цепи 2 и электромагнит YAC 1 включает выключатель Q 1. При повышении напряжения на шинах ре минимального напряжения получает питание и замыкает свои контакты в цепи 9, срабатывает реле времени KT 2 в результате YAТ 1 отключает конденсаторную установку.
Рис. 49. Схема одноступенчатого регулирования мощности конденсаторной установки по напряжению
Если конденсаторная установка включается на короткое замыкание, ее отключит релейная защита, которая замыкает свои контакты РЗ в цепи 6. Промежуточное реле KL замыкает свои контакты KL:3 и ставит себя на самопитание. Его блок контакты KL:1 разрывают цепь питания электромагнита YAC 1, запрещая повторное включение конденсаторной установки, а контакты KL:2 подают сигнал на электромагнит отключения выключателя.
Кнопка SBT возвращает схему в исходное положение. Переключатель управления позволяет включать и отключать установку в ручном режиме.
Схема автоматического одноступенчатого регулирования конденсаторной установки по времени суток с коррекцией по напряжению
Наиболее широкое распространение получило автоматическое регулирование компенсирующих устройств по времени суток, поскольку суточный график нагрузок в производствах с установившейся технологией практически не меняется. В основе такой схемы автоматики – электрические сигнальные часы ЭВЧС и реле минимального напряжения (рис.50).
Включение и отключение конденсаторной установки КУ осуществляется по программе, заданной по времени суток. Если после включения конденсаторной установки по команде от ЭВЧС (цепь 10) напряжение на шинах подстанции окажется соответствующим номинальному значению, то сработают контакты реле напряжения KV:2, подадут сигнал на реле времени КТ 2, которое замкнет свои контакты в цепи 4 и электромагнит отключения YAT 1 отключит КУ. Если же по команде от электронных часов КУ установка отключится, когда напряжение на шинах еще ниже номинального значения, то замкнутся контакты KV:1 и и согласно схеме электромагнит включения YAС 1 вновь включит установку.
Рис. 50. Схема автоматического одноступенчатого регулирования конденсаторной установки по времени суток с коррекцией по напряжению
В настоящее время получили широкое распространение конденсаторные установки типа УКМ 58 (КРМ, АКУ, УКРМ, УКМ) изготавливаемые на напряжение 0,23 кВ; 0,4 кВ; 0,66 кВ; 0,69 кВ, которые предназначены для автоматического подержания заданного коэффициента мощности (рис 51).
В качестве автоматических регуляторов используются устройства автоматики на микропроцессорной технике, которые имею встроенные интерфейсы, а также дополнительно поставляемое программное обеспечение, позволяющее как на подстанции, так и удаленно с компьютера (до 1200 м, и даже далее — с помощью репитера) программировать, конфигурировать и контролировать параметры конденсаторной установки и соответственно всей сети.
Рис. 51. Конденсаторные установки типа УКМ 58
На дисплее таких регуляторов реактивной мощности отображаются практически все параметры контролируемой сети, в том числе и гармоники с 1- ой по 40-ю. Примером такого регулятора является автоматический регулятор реактивной мощности типа DCRJ 8…12 для сетей 0,4-35 кВ с выходом на ПК (рис. 52).
Рис. 52. Автоматический регулятор реактивной мощности типа DCRJ 8…12
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................................................................................................... 3
1.Элементы релейной защиты................................................................................................ 10
Устройство и принцип действия реле максимального тока РТ-40, РТ-80.............. 10
Устройство и принцип действия реле индукционного типа
РБМ – 170, РНТ – 565.............................................................................................................. 13
Основные конструкции реле времени, промежуточных реле, сигнальных реле, газового реле, промежуточного реле на герконах............................................................................................................................................... 16
Устройство и принцип действия статических и полупроводниковых реле.......... 22
Схемы простейших электронных реле.................................................................. 23
2. Линейные и нелинейные измерительные преобразователи синусоидальных токов и напряжений 34
2.1.Устройство трансформаторов тока................................................................................. 34
Схемы соединения трансформаторов тока и токовых реле..................................... 37
Кабельные трансформаторы тока (земляная защита)............................................... 40
Оперативный ток: источники постоянного и переменного оперативного тока. 42
3. Релейная защита трансформаторов и двигателей....................................................... 47
Основные повреждения силовых трансформаторов................................................. 47
Назначение и основные типы защит трансформаторов............................................ 48
Максимальная токовая защита................................................................................ 48
Токовая отсечка трансформатора........................................................................... 49
Дифференциальная защита трансформатора....................................................... 52
Расчет релейной защиты трансформатора заводской подстанции......................... 53
Защита трансформаторов, включенных по упрощенной схеме коммутации...... 61
Защита электрических двигателей................................................................................. 63
4. Релейная защита линий........................................................................................................ 65
Защита линий электропередач с односторонним питанием.................................... 65
Защита линий электропередач с двухсторонним питанием (направленная защита) 66
Продольная дифференциальная токовая защита линии с односторонним питанием 68
Продольная ДТЗ линии с двухсторонним питанием................................................. 70
Поперечная дифференциальная защита линии........................................................... 71
5. основные виды автоматики в системах электроснабжения..................................... 73
Автоматическое повторное включение........................................................................ 73
Автоматическое включение резерва............................................................................. 75
Схема АВР резервного ввода................................................................................. 75
Схема АВР на секционном выключателе.............................................................. 77
Автоматическая частотная разгрузка................................................................
