Источники оперативного тока, их характеристика и область применения.

Оперативный ток – ток который используется для дистанционного управления выключателями, а также для питания оперативных цепей релейной защиты, автоматики, телемеханики.

Основное требование к источнику оперативного тока – высокая надежность. Напряжение и мощность этого источника должны быть достаточными для управления выключателем и срабатыванием защиты.

Применяются источники постоянного и переменного оперативного тока. В качестве источника постоянного тока используются аккумуляторная батарея U=220,110,48,24 В. который используется на всех электрических станциях и мощных подстанциях.

Основное достоинство источников постоянного тока – высокая надежность.

Недостатки: разветвленная кабельная сеть постоянного тока, необходимость специальных помещений для аккумуляторных батарей, необходимость высококвалифицированного персонала по обслуживанию, необходимость иметь зарядные и под зарядные аппараты.

В качестве источников переменного оперативного тока могут использоваться ТА, ТV и трансформаторы собственных нужд . ТА являются надежными источниками питания для защиты от к.з., так как при к.з. токи увеличиваются и мощность отдаваемая ТА возрастает. Однако ТА не могут использоваться для питания некоторых типов защит, действие которых не связано с увеличение тока в защищаемой цепи (защиты от повышения и понижения напряжения, от витковых замыканий, от замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью ). ТV и трансформаторы собственных нужд не могут обеспечить надежное питание защиты от к.з., так как при к.з. напряжение могут сильно снижаться.

Источники переменного тока не являются универсальными. В практике эксплуатации энергосистем получили применение следующие схемы использования переменного тока: 1. Схема с дешунтированием катушек отключения выключателей (рис1).

YAT

В нормальном режиме ток от ТА проходит через обмотку реле и замкнутый контакт реле, минуя катушку отключения YAT. При к.з.

реле срабатывает и переключает свои контакты. Первым замыкается нижний контакт (при замкнутом верхнем) и тем самым YAT подключается к ТА. Затем размыкается верхний контакт, т.е. происходит дешунтирование YAT, при этом ток от ТА будет проходить не только по катушке реле но и по YAT.

Рис1.

Схема с выпрямительными блоками питания.

220 В

TLV

TLA

Различают: а) токовые, б)напряжения, в) комбинированные.

Рис2.

Токовые блоки питания обеспечивают надежное питание защиты от к.з., а блоки напряжения обеспечивают надежное питание при повреждениях, сопровождающихся повышением тока.

Комбинированные источники питания (рис2) обеспечивают надежное питание защит при всех

видах повреждений.

3. Схема с предварительно заряженными конденсаторами (рис3).

В нормальном режиме конденсатор С заряжен через выпрямители блока питания и заряда БПЗ. При исчезновении напряжения реле защиты замыкает цепь на электромагнит выключателя и конденсатор С разряжается, в результате выключатель отключается.

3.4. Максимальная токовая защита.

Могут быть выполнены 3-х или 2-х фазными с помощью реле прямого или косвенного действия. По способу питания оперативных цепей МТЗ могут быть: на постоянном и на переменном оперативном токе. По виду характеристики времени срабатывания защиты МТЗ: с независимой от тока характеристики выдержки времени или с зависимой характеристикой выдержки времени.

Рис1.

Принципиальная схема МТЗ на постоянном оперативном токе с независимой характеристикой выдержки времени (рис.1).

КН

КL

КТ

YAT

КА

Выбор параметров срабатывания.

Параметры срабатывания: t_c_з - время срабатывания защиты; I_сз -ток срабатывания защиты;

I_ср - ток срабатывания реле.

Выбор выдержек времени.

Выдержки времени выбираются по ступенчатому принципу. На наиболее удаленном участке сети выдержка времени выбирается минимальной и увеличивается по мере приближения к источнику питания.

КЗ

Л4

Л3

t _c_з3>t_сз4

t _c_з2

t _c_з1

Л2

t_c_з

Л1

t_c_з1= t_c_з2+Dt:

t_c_з2= t_c_з3+Dt выбирается наибольшее

t_c_з2= t_c_з4+Dt значение

Dt - ступень селективности

Dt=t_{откл.выкл.}+t_п1+t_п2+t_и+t_зап

Dt=0,3-0,6 с.

t_п1, t_п2 - погрешность во времени срабатывания предыдущей и последующей защиты.

t_и - инерционная ошибка ( для защит с независимой характеристикой времени t_и »0); t_зап - время запаса.

Для МТЗ с независимой характеристикой времени срабатывания Dt=0,3-0,6 с.

Для защит с зависимой характеристикой Dt=0,6-1 с.

Выбор тока срабатывания защиты. Ток срабатывания защиты выбирается из условий:

1.Защита не должна срабатывать от максимальных нагрузочных токов. I_сз>I_н.мак

2.Токовые реле защиты, сработав при внешних к.з., должны вернуться в исходное положение после к.з. Напряжение при к.з в точке К3 начинают работать защиты на выключателях Q1,Q2,Q3. После отключения к.з. выключателем Q3 токи в оставшихся в работе линий увеличиваются за счет самозапуска эл. двигателей. Это увеличение учитывается с помощью коэффициента самозапуска К_см, величина которого зависит от состава нагрузки. Если состав нагрузки неизвестен, то К_см»2,5-3.

После отключения к.з. защиты на выключателях Q1,Q2 должны вернуться в исходное положение. Для этого необходимо чтобы ток возврата защиты

I_в.з>К_сз*I_н.мак

С учетом погрешности реле и расчета I_в.з³К_отс*К_сз*I_н.мак

К_отс - коэффициент отстройки, зависит от типа реле К_отс»1,2-1,3

Токи срабатывания и возврата защиты связаны коэффициентом возврата К_в= I_в.з/ I_с.з

Ток срабатывания защиты протекает по первичным обмоткам трансформаторов тока. Токи которые протекают в реле, меньше токов срабатывания на величину коэффициентов трансформации тока. Для подсчета тока в реле необходимо также учитывать схему соединения трансформаторов тока и реле. Схема соединения характеризуется коэффициентом схемы, который в общем случае равен:

К_сх=I_р/I₂_TT

I_р - ток протекающий в обмотке реле, I_2TT - ток, протекающий во вторичной обмотке тр-ра тока.

Ток срабатывания реле I_ср= (К_сх *I_сз)/n_TT

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности, который равен

Схемы соединения пусковых органов МТЗ бывают следующих типов:

1. Трехфазная схема соединений трансформаторов тока и реле в звезду.

2. Двухфазная двухрелейная (трехлинейная) схема соединения трансформаторов тока и реле в неполную звезду.

3. Двухфазная однорелейная схема с соединением трансформатора тока и реле на разность токов двух фаз.

МТЗ делятся также на защиты с использованием разных типов реле, таких как, реле с зависимой от тока выдержкой времени (РТ-80,РТВ)

Существуют МТЗ с блокировкой минимального напряжения, МТЗ на переменном оперативном токе по схеме с дешунтированием катушек отключения выключателей. МТЗ с использованием реле прямого действия.

Краткая оценка МТЗ.

Достоинства: простота, надежность, невысокая стоимость.

Недостатки:

1) Селективность обеспечивается только в радиальных сетях с односторонним питанием.

2) Большие выдержки времени, особенно вблизи источников питания.

3) Недостаточная чувствительность защиты, особенно в случае использования их в качестве резервных.

Область применения.

Применяется в радиальных сетях с односторонним питанием.

3.5. Токовая отсечка мгновенного действия.

ТА

КА1

КL

КА2

Селективность защиты обеспечивается не подбором выдержки времени как у МТЗ, а соответствующем выборе тока срабатывания, т.е. ограничением зоны действия защиты.

Ток срабатывания отсечки выбирается больше максимального тока к.з. в конце защищаемой линии

Ic.з=k_н*I⁽³⁾к.з_мах – ток, протекающий по линии

Зона действия отсечки

Iк.з_м_in

Iк.з_ма_x

Iср

Ic.р=к⁽³⁾ _сх *I⁽³⁾с.з/n_ТТ - ток срабатывания реле

k_н -выбирается в зависимости от типа реле

Е_с,Х_с

k_н=1,2-2

Токовая отсечка не защищает всю линию. Отсечка считается эффективной и рекомендуется к применению если она защищает не менее 20% длины линии. Поэтому токовая отсечка не может являться единственной защитой линии. Зона действия отсечки определяется графически путем построения кривой изменения тока к.з. в зависимости от длины линии.

Зона действия отсечки не является величиной постоянной, она изменяется в зависимости от режима работы питающей системы, от вида к.з. и наличия переходного сопротивления в месте повреждения.

Время действия отсечки складывается из времени действия токового и промежуточ. реле t_с.р=0,1с

Токовые отсечки мгновенного действия на линиях с двухсторонним питанием.

Iкз._ма_x_ист.Б

Iсз=Icз(ТОА)= Icз(ТОБ)

Iк.з_ма_x_ист.А

ТОА

ТОВ

Iкз._ист.Б

Iк.з_ист.А

к_Б

к_А

Е_Б,Х_Б

Е_А,Х_А

На обоих концах линии устанавливаются токовые отсечки, имеющие одинаковый ток срабатывания. Для обеспечения селективности ток срабатывания выбирается больше максимального тока к.з. при 3-х фазном к.з в точках К_А и К_Б. Например при к.з. в точке К_Б по защитам протекает ток к.з. от источника А. Чтобы отсечки ложно не срабатывали при внешних к.з. на смежных линиях ,необходимо, чтобы ток срабатывания отсечек был равен:

Iс.з=Ic.з(ТОА)= Ic.з(ТОБ)> Iк.з_ма_{x ист.А}

При к.з. в точке К_А по отсечкам протекает ток от источника Б. Чтобы отсечки ложно не работали

Iс.з=Ic.з(ТОА)= Ic.з(ТОБ)> Iк.з_ма_{x ист.Б}

если Iк.з_ма_{x ист.Б} > Iк.з_ма_{x ист.А}, то Ic.з=k_н*I⁽³⁾к.з_мах_{. истБ}

Ток срабатывания должен также выбираться по условию отстройки от уравнительных токов, возникающих при качаниях в системе.

Ic.з=k_н*Iур.мак; Iур.мак=2*Е/(Х_а+Х_Л+Х_Б₎ при условии что Е_А=Е_Б=Е

3.6. Направленная токовая защита.

Направленными называются защиты, которые реагируют на определенное направление мощности к.з. Необходимость в них возникла в кольцевых сетях и в сетях с двухсторонним питанием, т.к. в таких сетях обычные токовые защиты (МТЗ ) не обеспечивают селективности.

Направленные МТЗ 1,2,3,4 -

МТЗ 1,2,3,4 -

При К1 t_сз2<t_сз3<t_сз4

При К2 t_сз3<t_сз2<t_сз1

Выполнить эти требования не представляется возможным, т.е. обычные МТЗ не удовлетворяют требованиям селективности.

Для обеспечения селективности необходимо установить в такой сети направленные МТЗ, которые работают только при направлении мощности от шин в линию. Основным элементом таких защит является реле направления мощности.

В сети где установлены направленные защиты при к.з. в точке К1 работают защиты 2,4,1. Для обеспечения селективности необходимо чтобы t_сз2<t_сз4. При к.з. в точке К2 работают защиты 3,1,4 а для селективности необходимо чтобы t_сз3<t_сз1

Принципиальная схема направленных МТЗ на постоянном оперативном токе.

Защита содержит:

1) Пусковой орган - токовое реле КА

2) орган направления мощности - реле КW

3) орган выдержки времени - реле КТ.

В нормальном режиме контакты реле направления мощности могут быть замкнуты, если поток мощности, передаваемой по линии направлен от шин в линию. Однако защита в этом режиме не срабатывает, т.к. в нормальном режиме разомкнуты контакты КА.

При к.з. на линии срабатывает пусковой орган и орган направления мощности и защита отключает выключатель.

При к.з. " за спиной " защиты при к.з. в точке К2 реле КА может сработать, но КW держит контакты разомкнутыми, т.к. мощность к.з. направлена из линии к шинам.

Выбор параметров срабатывания защиты

Наличие реле направления мощности разделяет все защиты на две группы: с четными и нечетными номерами. В результате выбор выдержек времени защиты можно проводить по встречноступеньчатому принципу. Для каждой группы выдержки времени выберем как и для обычных МТЗ. t_сз1=t_сз3+Dt; t_сз4=t_сз2+Dt;

Участок линии при повреждении которого в пределах которого защита не срабатывает называется мертвой зоной.

Она обусловлена тем, что напряжение подводимое к реле при близких 3-х фазных к.з. очень мало и недостаточно для срабатывания реле.

Достоинства:1) простота и надежность.2) За-та обеспечивает се-ть в сетях с 2-х сторон. питанием.

Недостатки:1) большие выдержки времени 2) недостаточная чув-ть 3) мертвая зона по U.

Защита широко применяется в качестве основной в сетях с 2-х сторонним питанием U до 35 кВ; в сетях 110 кВ и выше она обычно используется в качестве резервной.

3.7 Дистанционная защита и ее основные органы.

В разветвительных сетях с несколькими источниками питания токовые направленные защиты не удовлетворяют требованиям селективности, а часто и требованию быстродействия. Поэтому в таких сетях применяются дистанционные защиты, которые могут быть направленными или ненаправленными. Дистанционные органы защиты реагируют на отношение Up/Ip=Zp. При некоторых условиях это отношение пропорционально расстоянию (дистанции) от места установки защиты до места повреждения. Выдержка времени дистанционной защиты плавная или ступенчатая и увеличивается по мере удаления точки к.з. Селективность действия защит обеспечивается при следующих характеристиках выдержки времени:

1. Плавно нарастающая 2. Ступенчатая 3. Комбинированная

Наибольшее применение получили защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени, т.к конструктивно они оказываются проще и часто обеспечивают более быстрое отключение повреждения. В эксплуатации широкое применение получили применение 1,2 и 3 ступени защиты. Три ступени защиты имеют три ступени действия которым соответствует соответствующая ступень выдержки времени. Первая ступень защищает 70-80% длины линии - эта ступень без выдержки времени. Вторая ступень защищает остальную часть линии, шины противоположной подстанции и начало следующей линии. Эта ступень имеет выдержку времени 0,5-0,6 с.Третья ступень является резервной по отношению к первым двум. Она должна быть чувствительной к повреждениям не только на своей линии, но и к повреждениям на других линиях.

Основные органы и упрощенная схема трехступенчатой дистанционной защиты. Пусковые органы (ПО) используются реле максимального тока, реле минимального сопротивления. Токовое реле проще, но реле минимального сопротивления обеспечивают большую чувствительность ПО.

БК БНКТ2

КТ3

КТ2 БНКТ2

ДО2

ДО1

ОМ

ПО

БН

Дистанционные органы (ДО) определяют удаленность точки к.з. В качестве ДО используется направленное или ненаправл. реле минимального сопротивления. Эти реле реагируют на отношение Up/Ip=Zp. Эти органы замыкают контакты , если Zp<Zcp.

3. Орган выдержки времени : Используется реле времени. 4. Орган направления мощности (ОМ). Он срабатывает и замыкает контакты только при направлении мощности К.З от шин в линию. Этот орган предусматривается в том случае если пусковые и дистанционные органы выполняются ненаправленными. 5. Специальные блокировки, которые предотвращают ложную работу защиты. Применяется БН - блокировка от неисправности в цепях трансформаторов напряжения и БК от качания.

3.8. Продольная и поперечная дифференциальная защита линий и ее принцип действия.

Продольная ДЗ ЛЭП. Принцип действия защиты основан на сравнении величины и фазы по концам защищаемой линии. Для выполнения защиты необходимо два комплекта ТА, которые установлены по концам защищаемой линии и имеют одинаковые коэффициенты трансформации.

При внешних к.з. (т.К1), качания в системе, а также в режиме нормальной нагрузки по первичным обмоткам ТА1 и ТА2 протекают одинаковые токи. В токовом реле защиты протекает разность вторичных токов. Если трансформаторы тока имеют один коэффициент трансформации то разность их токов ровна нулю и токовое реле не срабатывает. Работа защиты усложняется тем что тр-ры тока работают с разными погрешностями.

В результате разность вторичных токов не равна нулю и в реле протекает ток небаланса Iнб=Iв1-Iв2. При к.з. в зоне линии (т.К2) в реле протекает не разность а сумма вторичных токов. Если ток в реле оказался больше тока срабатывания реле Iр>Iср, то защита срабатывает и отключает выключатель.

Поперечная дифференциальная токовая защита. Принцип действия основан на сравнении токов одноименных фаз параллельных линий. Для выполнения защиты на параллельных линиях устанавливаются трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом трансформации.