1-4. Расчеты токовых отсечек
Токовой отсечкой (cutoff) обычно называют одну из ступеней двухступенчатой максимальной токовой защиты, которая защищает только часть линии или часть обмотки трансформатора, расположенные ближе к источнику питания, и срабатывает без специального замедления, то есть t = 0 с. В трехступенчатой максимальной токовой защите линий средняя ступень обычно используется как отсечка с небольшим замедлением.
Расчет тока срабатывании селективной токовой отсечки без выдержки времени, установленной на линии, на понижающем трансформаторе и на блоке линия-трансформатор. Селективность токовой отсечки мгновенного действия обеспечивается выбором её тока срабатывания Iс.о большим, чем максимальное
значение тока КЗ I (3) к.макс при повреждении в конце защищаемой линии электропередачи (точки КЗ и К5 на рис. 1-14) или на стороне НН защищаемого понижающего трансформатора (точка КЗ на рис. 1-15):
Коэффициент надёжности kн для токовых отсечек без выдержки времени, установленных на линиях электропередачи и понижающих трансформаторах, при использовании цифровых реле, может приниматься в пределах от 1,1 до 1,15. Для сравнения можно отметить, что при использовании в электромеханических дисковых реле РТ-80 электромагнитного элемента (отсечки) принимают в расчетах kн = 1,5-1,6.
При определении максимального значения тока КЗ при повреждении в конце линии электропередачи напряжением 35 кВ и ниже рассматривается трёхфазное КЗ при работе питающей энергосистемы в максимальном режиме, при котором электрическое сопротивление энергосистемы является минимальным. Для линий 110 кВ и выше максимальное значение тока КЗ в выражении (1-17) может соответствовать однофазному КЗ на землю (что характерно для линий 110 кВ, отходящих от шин мощных подстанций с автотрансформаторами 330-750/110 кВ).
Определение максимального тока трёхфазного КЗ за трансформатором с регулированием напряжения необходимо производить при таком положении регулятора напряжения, которое соответствует наименьшему сопротивлению трансформатора.
Кроме отстройки токовой отсечки от максимального значения тока КЗ по условию (1-17), необходимо обеспечить её несрабатывание при бросках тока намагничивания (БТН) силовых трансформаторов. Эти броски тока возникают в момент включения под напряжение ненагруженного трансформатора и могут в первые несколько периодов превышать номинальный ток трансформатора в 5—7 раз. Однако выбор тока срабатывания отсечки трансформатора по условию (1-17), как правило, обеспечивает и отстройку от бросков тока намагничивания.
При расчете токовой отсечки линии электропередачи, по которой питается несколько трансформаторов, необходимо в соответствии с условием (1-17) обеспечить несрабатывание отсечки при КЗ за каждым из трансформаторов на ответвлениях от линии (если они имеются) и дополнительно проверить надёжность несрабатывания отсечки при суммарном значении бросков тока намагничивания всех трансформаторов, подключённых как к защищаемой линии, так и к предыдущим линиям, если они одновременно включаются под напряжение. Условие отстройки отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов имеет вид:
где
— сумма номинальных токов всех трансформаторов, которые могут одновременно включаться под напряжение по защищаемой линии; кн — коэффициент надёжности, значение которого зависит от времени срабатывания токовой отсечки; например, при выполнении отсечки на реле РТМ, собственное время срабатывания которых может составлять всего лишь один период (20 мс), следует принимать наибольшее значение kн > 5, а при выполнении отсечки по схеме с промежуточными реле принимается меньшее значение kн = 3 — 4 поскольку суммарное время срабатывания максимального реле тока и промежуточного реле этих схем составляет около 5 периодов (100 мс) и значение бросков тока намагничивания за это время заметно снижается .
В цифровых реле серии SPACOM несрабатывание мгновенной ступени (I>>>) при БТН трансформаторов обеспечивается
либо введением небольшой задержки (0,1 с вместо минимальной уставки 0,04 с и тогда kн в выражении (1-18) может приниматься равным 3 — 4),
либо путём использования специального переключателя, с помощью которого можно обеспечить при включении линии автоматическое удвоение уставки отсечки по току; при этом в выражении (1-18) следует учитывать лишь половину суммы номинальных токов всех трансформаторов.
При необходимости можно использовать оба мероприятия, т.е. небольшое замедление и автоматическое удвоение уставки по току.
На линиях 10 и 6 кВ с трансформаторами на ответвлениях, которые защищаются плавкими предохранителями (например, типа ПКТ-10), в условии (1-17) значение I (3) к.макс должно соответствовать току трёхфазного КЗ за наиболее мощным из трансформаторов. Далее следует определить время плавления вставок
предохранителей этого трансформатора при расчетном токе КЗ, равном току срабатывания отсечки, выбранному из условий (1-17) и (1-18). Для учёта допускаемого стандартом разброса времятоковых характеристик плавких предохранителей ПКТ следует значение этого тока уменьшить на 20%: Iрас = Iс.о / 1,2. Если время плавления tпл = 0,1 c, то следует либо увеличить ток срабатывания отсечки до такого значения, при котором обеспечивается расплавление вставок предохранителей до момента отключения защищаемой линии, т.е. не более 0,1 с, либо увеличить время срабатывания отсечки.
Чувствительность токовых отсечек оценивается коэффициентом чувствительности, требуемые значения которых указаны в Правилах, а также величиной (протяжённостью) защищаемой части линии электропередачи. Коэффициент чувствительности определяется по выражениям (1-4) и (1-5). Рассмотрим это на примерах.
Для токовых отсечек, устанавливаемых на понижающих трансформаторах’ и выполняющих функции основной быстродействующей токовой защиты (при отсутствии дифференциальной защиты), чувствительность определяется по току наиболее неблагоприятного вида повреждения — как правило, двухфазного КЗ на выводах ВН трансформатора (точка К2 на рис. 1-15) в минимальном, но реально возможном режиме работы энергосистемы. Значение коэффициента чувствительности должно быть около 2,0. Такие же требования существуют для токовых отсечек на блоках линия-трансформатор.
Для токовых отсечек без выдержки времени, устанавливаемых на линиях электропередачи и выполняющих функции дополнительных защит (рис. 1-14), коэффициент чувствительности должен быть около 1,2 при КЗ в месте установки отсечки в наиболее благоприятном по условию чувствительности режиме.
Коэффициент чувствительности токовых отсечек, выполненных на реле прямого действия типа РТМ, должен проверяться с учетом действительного значения токовой погрешности трансформаторов тока, если оно превосходит 10%.
Для оценки эффективности токовой отсечки, установленной на линии электропередачи, полезно определить зону действия отсечки в процентах от всей длины линии. Протяжённость зоны действия отсечки зависит от характера изменения расчетных значений тока при перемещении точки КЗ вдоль защищаемой линии. По нескольким значениям тока КЗ строится кривая спада тока (рис.1-14). Могут быть построены две кривые: для трёхфазных КЗ в максимальном режиме работы энергосистемы и для двухфазных КЗ в минимальном режиме. Кривые достаточно точно строятся по трём значениям тока: при КЗ в начале, середине и в конце линии. Далее проводится горизонтальная прямая, ордината которой соответствует большему значению тока срабатывания отсечки, выбранному по выражению (1-17) и (1-18). Абсцисса точки пересечения горизонтальной прямой с кривой спада тока КЗ соответствует длине зоны действия отсечки в выбранном режиме работы питающей энергосистемы и при выбранном виде КЗ. Приведённый пример построения кривых тока КЗ (первичного) и определение зоны действия отсечки по первичному значению её тока срабатывания является правильным лишь при условии, что погрешность трансформаторов тока не превышает 10%. С увеличением погрешности трансформаторов тока зона действия отсечки уменьшается.
Как видно из примера графического определения зон действия отсечек, рис. 1-14, протяжённость этих зон может быть весьма значительной: примерно 70% длины
линии JI1 и около 50% длины линии JI2, но может быть гораздо меньшей в других случаях.
Отсечка с выдержкой времени на линиях электропередачи. Небольшая выдержка времени позволяет задержать срабатывание отсечки последующей линии (Л1 на рис. 1-14) при КЗ на предыдущей линии Л2 для того, чтобы успела сработать мгновенная отсечка повреждённой линии Л2. Для отсечки с небольшой выдержкой времени можно выбрать значительно меньшее значение тока срабатывания по сравнению с током срабатывания мгновенной отсечки по нескольким причинам.
Ток срабатывания по выражению (1-17) выбирается из условия отстройки от токов при КЗ в более удалённых точках, например при КЗ в конце зоны действия мгновенной отсечки предыдущей линии Л2 (рис. 1-14), при КЗ за трансформатором приёмной подстанции или трансформатором на ответвлении защищаемой линии, имея в виду, что трансформаторы оборудованы быстродействующими защитами. Можно выбирать ток срабатывания отсечки с выдержкой времени на последующей линии по выражению (1- 2), т.е. по условию согласования чувствительности с мгновенной отсечкой на предыдущей линии. Пример карты селективности приведён на рис.1-16.
Как видно из рис. 1-16, именно средняя ступень трёхступенчатой токовой защиты (I») может значительно ускорить отключение КЗ на линии.
В дополнение к этому нужно отметить, что для отсечек с замедлением не требуется выполнения условия (1-18) отстройки отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов, поскольку эти токи быстро затухают. На линиях с трансформаторами на ответвлениях при выполнении защиты трансформаторов с помощью плавких предохранителей (например, типа ПКТ-10 или ПСН-35) и при КЗ в трансформаторе селективность между плавкими предохранителями и токовой отсечкой питающей линии можно обеспечить благодаря замедлению действия отсечки.
Неселективная токовая отсечка без выдержки времени. Применяется в тех случаях, когда требуется мгновенное отключение таких КЗ, которые приводят к аварии, если их отключать с выдержкой времени. Например, трёхфазное КЗ у шин электростанции или подстанции с синхронными электродвигателями может вызвать значительное понижения напряжения на зажимах генераторов и синхронных электродвигателей. Если быстро не
отключить такое КЗ, произойдет нарушение синхронной параллельной работы этих электрических машин с энергосистемой, что
приведёт к расстройству энергоснабжения, а возможно, и к повреждению электрооборудования.
Большую опасность для электрооборудования представляет термическое воздействие сверхтоков КЗ. Как известно, степень термического воздействия электрического тока прямо пропорциональна значению тока (в квадрате) и времени его прохождения. Если по каким-либо причинам нельзя уменьшить значение тока КЗ до такого, при котором можно без опасения отключать повреждённый элемент с выдержкой времени селективной максимальной токовой защиты, то необходимо уменьшить время отключения КЗ. Одним из наиболее простых и дешёвых способов быстрого отключения КЗ является использование неселективных токовых отсечек без выдержки времени в сочетании с устройствами автоматики (АПВ, АВР), которые полностью или частично ликвидируют отрицательные последствия работы неселективных отсечек.
Ток срабатывания неселективной токовой отсечки, предназначенной для обеспечения устойчивой параллельной работы синхронных электрических машин, выбирается из условия её надёжного срабатывания в тех зонах, где трёхфазные КЗ вызывают снижение напряжения в месте установки отсечки ниже допустимого значения остаточного напряжения Uост (рис. 1-17,а). Значение тока срабатывания неселективной отсечки (в амперах) определяется по выражению
где Uс.мин — междуфазное напряжение (ЭДС) питающей энергосистемы в минимальном режиме её работы, может приниматься в пределах 0,9 — 0,95 номинального, В; zc мин — сопротивление энергосистемы (в минимальном режиме её работы) до места установки отсечки, Ом; kо — коэффициент, отражающий зависимость остаточного напряжения Uост в месте установки рассчитываемой отсечки от удалённости трёхфазного КЗ (zк = =ko zc мин), определяется по зависимости U*ост = f(ko), приведенной на рис. 1-17,б; kн — коэффициент надёжности, принимаемый равным 1,1 — 1,2. Значения остаточного напряжения U*ост , необходимые для обеспечения параллельной работы синхронных электрических машин и различных категорий потребителей, определяются для конкретных случаев службами (группами) электрических режимов; в приближённых расчетах принимают, что для обеспечения динамической стойкости синхронных
генераторов необходимо обеспечить U*ост=> 0,6; синхронных электродвигателей не менее 0,5.
Для обеспечения успешного действия устройства АПВ (или АВР) после срабатывания неселективной токовой отсечки необходимо выполнить несколько условий, дополнительных к условию (1-19), в том числе:
а) выполнить согласование чувствительности и времени срабатывания неселективной отсечки с плавкими предохранителями, автоматическими выключателями или быстродействующими защитами всех элементов, питающихся по защищаемой линии и расположенных в зоне действия неселективной отсечки; это необходимо для того, чтобы при КЗ на любом из этих элементов плавкие вставки предохранителей сгорели бы раньше или защита сработала бы раньше или хотя бы одновременно со срабатыванием неселективной отсечки; при этом время гашения электрической дуги в плавких предохранителях может не учитываться, т.к. она погаснет после отключения линии;
б) обеспечить отстройку неселективной отсечки от бросков тока намагничивания трансформаторов по условию (1-18);
в) обеспечить отстройку неселективной отсечки от КЗ на шинах низшего (среднего) напряжения каждого из трансформаторов, включённых в зоне действия неселективной отсечки, а если это невозможно, то выполнить согласование чувствительности и времени срабатывания неселективной отсечки с защитными устройствами всех элементов низшего (среднего) напряжения.
Применяются и другие способы ускорения отключения опасных повреждений, например, так называемое «ускорение действия защиты по напряжению прямой последовательности». Для этой цели используется реле напряжения, включённое через фильтр напряжения прямой последовательности, например, типа РНФ-2, которое выпускает ЧЭАЗ.
Реле напряжения настраивается таким образом, что оно замыкает свои контакты при снижении напряжения прямой последовательности в месте установки защиты ниже 0,5 — 0,6 номинального. При этом максимальная токовая (или дистанционная) защита линии действует помимо основной выдержки времени либо мгновенно, либо с очень небольшим замедлением. Эти мероприятия применяются как дополняющие работу основных быстродействующих селективных защит линий электропередачи, сборных шин и других элементов электроустановок.
Ток срабатывания неселективной токовой отсечки, предназначенной для обеспечения термической стойкости, например, голых проводов линий, выбирается по формуле, полученной из выражения (1-15):
где обозначения такие же, как и в выражении (1-15). Например, при сечении проводов 2
s = 35 мм 2 и tоткл = 0,4 с (неселективная отсечка плюс АПВ линии) ток срабатывания отсечки должен быть установлен не более 3850 А (первичных). Для обеспечения успешного действия АПВ после неселективного отключения линии отсечкой необходимо выполнить все те же условия, которые перечислены выше, а также произвести расчетную проверку пригодности трансформаторов тока по их погрешностям.
Источник
