/
Author: Кривенков В.В. Новелла В.Н.
Tags: электротехника электроэнергетика электроника электричество автоматика релейная защита реле защиты реле учебное пособие
Year: 1981
Text
В.В.Крибенкоб
В. Н. Новелла
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
И АВТОМАТИКА
СИСТЕМ
ЭЛ ЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Для студентов вузов
В. В. КРИВЕНКОВ, В. Н. НОВЕЛЛА
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
И АВТОМАТИКА СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ’
Допущено Министерством высшего и
среднего специального образования
СССР в качестве учебного пособия для
студентов вузов, обучающихся по спе-
циальности «Электроснабжение про-
мышленных предприятий, городов и
сельского хозяйства»
МОСКВА ЭНЕРГОИЗДАТ 1981
ББК 31.27-05
К82
УДК 621 3169(075 8)
Рецензенты: кафедра центральных электрических станций,
сетей п систем ВЗПИ и канд. техн, паук В. М. Кискачи.
Кривенков В, В., Новелла В. Н,
К82 Релейная защита и автоматика систем электро-
снабжения: Учеби. пособие для вузов. — М.: Энер-
гоиздат, 1981, 328 с., ил.
В пер. 80 к.
В книге рассмотрены устроВсгпа релейной защиты и автоматики
элементов системы электроснабжения, а также вопросы телемеханиза-
ции и автоматизации управления системой в целом.
Предназначена в качестве учебного пособия студентам энергети-
ческих и электротехнических вузов, обучающихся по специальности
«Электроснабжение юродов, промышленных предприятий и сельского
хозяйства», и может быть использована инженерно-техническим персо-
налом, обслуживающим электроустановки.
„ 30311-002
К------------ 85-81 (Э). 2302040000
051(01)-81 v '
ББК 31.27-05
6П2
ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ КРИВЕНКОВ
ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ НОВЕЛЛА
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА СИСТЕМ
электроснабжения
Редакторы В. А. Семенов, Н. А. Левковская
Редактор издательства Л. В. Копейкина
Переплет художника E. И. Волкова
Технический редактор В. В. Хапаева
Корректор М; Г. Гулина
ИБ № 2207 («Энергия»)
Сдано в набор 23 09 80 Подписано в печать 14.01.81 Т-00927 Формат
84Х108Чзг Бумага типографская № 2 Гари, шрифта литературная Печать
высокая Усл. печ. л. 17,22 Уч.-изд. л. 18.76 Тираж 37 000 экз, Заказ
М 529 Псца 80 к.
Энсргоиздаг. ИЗН4, Москва. М-114, Шлюзовая наб, 10.
Владимирская типография «Союзнолиграфпрома»
при Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли
Октябрьский проспект, д, 7
© Энергоизда г, 1981.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Работа систем электроснабжения городов, промыш-
ленных предприятий и сельского хозяйства невозможна
без автоматического управления элементами системы в
нормальных и в аварийных режимах. Методы и средства
автоматического управления постоянно развиваются, со-
вершенствуется элементная база устройств автоматики.
Настоящая книга написана на основе опыта препода-
вания авторами дисциплины «Релейная защита, автома-
тизация и телемеханизация систем электроснабжения»
на электроэнергетическом факультете Московского орде-
на Ленина и ордена Октябрьской революции энергетиче-
ского института. Общие вопросы релейной защиты и ав-
томатики излагаются в сочетании с конкретными задача-
ми автоматического управления основными элементами
системы электроснабжения, что ускоряет и облегчает
процесщусвосния данной дисциплины.
В последние годы в связи с повышением требований
к эффективности и качеству электроснабжения потреби-
телей возникла необходимость быстрого развития авто-
матизированного централизованного управления систе-
мой электроснабжения на основе использования средств
телемеханики и вычислительной техники. Основное вни-
мание в книге уделено автоматическому управлению ли-
ний, трансформаторов, синхронных и асинхронных ма-
шин, а также преобразовательных установок.
Авторы выражают глубокую благодарность доктору
техн, наук, проф. А. М. Федосееву за ценные советы и
указания при работе над книгой. Авторы выражают так-
же глубокую признательность старшему научному сот-
1*
3
руднику Всесоюзного научно-исследовательского инсти-
тута электроэнергетики канд. техн, гщук В. М, Кискачи,
коллективу кафедры центральных электрических стан-
ций н сетей Всесоюзного заочного политехнического ин-
ститута, в особенности зав, кафедрой доктору техн, наук,
проф, В. В. Бургсдорфу и канд. техн, наук, доц. М. А, Фе-
досееву за тщательное рассмотрение рукописи и ценные
замечания, сделанные при рецензировании, а также
канд. техн, наук В, А. Семенову и инж. Н. А. Левковской
за большой труд по редактированию книги.
Главы 1, 3—6, 9—11 написаны В. Н. Новеллой; гл. 2,
8, 12 и 13—В. В, Кривенковым; введение, а также гл. 7
написаны авторами совместно. Авторы с признательно-
стью примут все замечания по предлагаемой книге и
просят направлять их по адресу: 113114, Москва, М-114,
Шлюзовая наб., 10, Энергоиздат,
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
В-1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Система электроснабжения промышленного предпри-
ятия или города, предназначенная для получения элек-
троэнергии от энергосистемы и распределения ее между
потребителями, может быть условно разделена на две
части: внешнюю и внутреннюю. К внешней части систе-
мы электроснабжения относятся линии электропередачи
напряжением 35—500 кВ, связывающие внутреннюю
часть системы электроснабжения с электроэнергетиче-
ской системой (ЭС). Внутренняя часть системы электро-
снабжения состоит из подстанций различного назначения
(питающих, распределительных, трансформаторных и
преобразовательных) и, распределительной сети напря-
жением до 1000 В (36; 220/127; 380/220; 660/380 В) и вы-
ше 1000 В (3; 6; 10; 20; 35; ПО; 150; 220; 330; 500 кВ).
Наивыгоднейшее для данного предприятия напряжение
зависит от многих факторов, основными из которых яв-
ляются потребляемая мощность, удаленность предприя-
тия от источника питания и напряжение его основных по-
требителей. Распределение электроэнергии па первой
ступени системы электроснабжения крупных предприя-
тий и городов производится иа напряжении внешней пи-
тающей сети с применением глубоких вводов питающих
линий 35—220 кВ.
В книге рассматривается автоматическое управление
процессом распределения электрической энергии во внут-
ренней части системы электроснабжения.
Высокий уровень автоматизации управления, прису-
щий электроэнергетическим системам вообще, характе-
рен и для систем электроснабжения. Необходимость
автоматического управления элементами системы электро-
снабжения обусловлена высокими требованиями, предъ-
являемыми к надежности электроснабжения потребите-
5
лей, и большой скоростью протекания процессов в элек-
трической системе при возникновении нарушений. Ручное,
т. е. неавтоматическое, управление элементами системы
электроснабжения неэффективно.
Назначением устройств автоматики, устанавливаемых
в системах электроснабжения, является:
быстрое отключение повредившегося элемента;
прекращение ненормальных режимов работы (напри-
мер, перегрузки) элементов системы;
быстрое восстановление электропитания потребителей,
автоматически отключенных от источника питания вслед-
ствие возникшего в системе повреждения;
поддержание на заданном уровне напряжения у по-
требителей;
пуск и останов синхронных машин;
отключение части потребителей при возникновении
дефицита активной мощности в энергосистеме, от кото-
рой система электроснабжения получает питание, и их
включение после ликвидации дефицита и т. д.
Исторически первыми и наиболее многочисленными
устройствами автоматики являются устройства релейной
защиты, отключающие поврежденный элемент от источ-
ника питания. В сети с напряжением ниже 1000 В в ка-
честве устройств защиты широко используются выключа-
тели с встроенными в них электромагнитными или тепло-
выми расцепителями (автоматические выключатели) Ав
или предохранители с плавкими вставками П (рис. В-1),
которые широко используются также для защиты транс-
форматоров трансформаторных пунктов ТП. Однако пре-
имущественное распространение в сети с напряжением
выше 1000 В получили устройства релейной защиты РЗ,
выполненные с использованием специальных автомати-
чески действующих приборов — реле, подключаемых к
защищаемому элементу системы через измерительные
трансформаторы тока или напряжения. Устройствами за-
щиты (П, Ав или РЗ) оборудуются все элементы системы
электроснабжения. Назначением устройств РЗ, кроме
отключения повредившихся элементов системы, является
также сигнализация появления ненормальных режимов
работы защищаемых элементов.
При отключении устройством защиты одного из эле-
ментов системы электроснабжения, например липни или
'I рапсформатора, часть потребителей электроэнергии
оказывается отключенной от источников питания, что не-
6
Рис. В-1. Устройства автоматики в системе электроснабжения.
желательно. Восстановление питания таких потребителей
осуществляется, как правило, автоматически устройства-
ми автоматического повторного включения (АПВ) или
автоматического включения резервного источника пита-
ния (АВР). Устройство АПВ производит включение
элемента системы, отключившегося в результате действия
устройства защиты. Если за время бестоковой паузы по-
вреждение (к. з.) устранилось, то включаемый устройст-
вом АПВ элемент системы остается в работе и питание
потребителей восстанавливается. В противном случае
устройство защиты вновь срабатывает и отключает пов-
режденный элемент. Устройство АПВ действует, как пра-
вило, однократно; им оборудуются в обязательном по-
рядке воздушные линии электропередачи (ВЛ) с иапря-
7
жением выше 1000 В, так как возникающие иа них к. з.
в большинстве своем неустойчивы и самоустраняются при
отключении ВЛ от источника питания. На остальных эле-
ментах системы, включая кабельные линии (КЛ),. уст-
ройства АПВ, как правило, не устанавливаются, так как
к. з. иа них в большинстве случаев устойчивы.
Устройство АВР подключает секцию шин главной по-
низительной подстанции (ГПП), распределительного
(РП) или трансформаторного (ТП) пункта, потерявшую
питание в результате отключения питающей линии или
трансформатора, к резервному источнику питания, т. е. к
соседней секции шии, не потерявшей питание. Устройство
АВР однократно действует иа включение секционного
выключателя СВ на ГПП или РП или секционного авто-
матического выключателя САв иа ТП, которые в нор-
мальном режиме работы системы находятся в отключен-
ном состоянии. Питание потребителей при этом восста-
навливается.
Устройство АВР может подключать резервируемые
шины не только к соседней секции шин, по и к другому
резервному источнику, например к шинам ТЭЦ предприя-
тия. В этом случае устройство АВР действует на включе-
ние выключателя резервной линии (РКП иа рис. В-1).
Поддержание заданного уровня напряжения обеспе-
чивается воздействием на возбуждение установленных в
системе синхронных машин (синхронных двигателей СД,
синхронных генераторов СГ ТЭЦ или синхронных ком-
пенсаторов СК), изменением коэффициента трансформа-
ции понижающих трансформаторов с РПН нли включе-
нием и отключением секций конденсаторных батарей £>К.
Регулирование напряжения в системе электроснабжения
проводится в основном автоматически, для чего синхрон-
ные машины оборудуются устройствами автоматического
регулирования возбуждения (АРВ), трансформаторы с
РПН — устройствами автоматического регулирования ко-
эффициента трансформации (АРКТ), а батареи конден-
саторов— устройствами автоматического управления
включением и отключением секций этих батарей (АУБК).
Появление дефицита активной мощности в энергосис-
теме вызывает понижение частоты. Наличие большого
дефицита мощности чревато опасностью лавинообразно-
го снижения частоты, результатом которого является
«развал» системы, т, е. авария, вызывающая прекраще-
ние электропитания всех потребителей. Поэтому баланс
8
генерируемой и потребляемой активных мощностей в
энергосистеме при отсутствии необходимых резервов мо-
жет быть восстановлен лишь путем отключения части
менее ответственных потребителей. Эта задача решается
с помощью устройств автоматической частотной разгрузки
(АЧР), устанавливаемых на подстанциях. Отключенные
устройствами АЧР потребители после ликвидации дефи-
цита мощности и восстановления нормального значения
частоты в энергосистеме автоматически включаются в
работу устройствами частотного АПВ (ЧАПВ).
В энергосистемах автоматизируется также процесс
подключения к сети синхронных генераторов СГ, син-
хронных двигателей СД, синхронных компенсаторов СД
и других электроустановок, например преобразователь-
ных устройств, электропечей и т. п.
Все перечисленные выше устройства относятся к уст-
ройствам локальной автоматики, так как они воздейству-
ют на отдельные элементы системы электроснабжения по
заранее заданному жесткому алгоритму вне зависимости
от режима работы других элементов системы. Управление
энергосистемой осуществляет диспетчер, который на
основании данных о текущем состоянии принимает ре-
шения, соответствующие сложившейся ситуации. Для
управления системой диспетчер с помощью телемеханики
ТМ получает информацию о параметрах режима энерго-
системы (перетоках мощности, токах, напряжениях) и
положении выключателей на ГПП н РП.
С помощью устройств телемеханики осуществляется
также передача управляющих команд с ДП на объекты.
Обработка информации, поступающей на ДП, автомати-
зируется с помощью ЭВМ, которая принимает, сортирует,
хранит информацию н выдает ее диспетчеру в удобном
для восприятия виде на средства отображения СОИ.
В-2. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
И АВТОМАТИКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
При выполнении релейной защиты и автоматики в
системах электроснабжения необходимо учитывать по-
вышение требований к электроснабжению промышлен-
ных предприятий. На крупных предприятиях создаются
распределительные сети н крупные узловые подстанции
на напряжение ПО—220 кВ, применяются мощные токо-
проводы напряжением 6—35 кВ. Увеличиваются число и
9
единичная мощность электродвигателей (до 60 МВт), в
связи с чем усложняются требования к их защите, пуску
и самозапуску. Растут единичные мощности и число элек-
троприемников с толчковой (резкоперемеииой) нагруз-
кой, что также усложняет требования к устройствам ре-
лейной защиты и автоматики.
Применение подстанций глубокого ввода, выполняе-
мых по упрощенным схемам коммутации, стало возмож-
ным благодаря широкому применению автоматики.
При выполнении релейной защиты и автоматики дол-
жны учитываться следующие особенности системы элек-
троснабжения:
отсутствие, как правило, аккумуляторных батарей,
что определяет необходимость выполнения схем релей-
ной защиты и автоматики на переменном оперативном
токе;
необходимость автоматического отключения неответ-
ственных потребителей, если оставшиеся в работе пита-
ющие линии или трансформаторы даже с учетом допус-
тимой перегрузки не могут обеспечить питание всех по-
требителей;
применение в большинстве случаев раздельной рабо-
ты питающих элементов системы электроснабжения
(линий, токопроводов, трансформаторов). При этом су-
щественно снижается ток к. з., упрощается релейная
защита трансформаторов и вводов, В ряде случаев под-
станции работают с замкнутыми шинами низшего напря-
жения, чтобы обеспечить самозапуск синхронных элект-
родвигателей большой мощности или предотвратить
толчки активной н реактивной нагрузки;
применение схем блоков линия — трансформатор без
выключателей на стороне высшего напряжения;
наличие значительной доли двигательной нагрузки,
требующее учета подпитки места к. з. от электродвигате-
лей при расчете токов к. з. и оценке поведения устройств
релейной защиты,
В-3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ
И АВТОМАТИКЕ
Релейная защита и автоматика выполняются в виде
автономных устройств, устанавливаемых на элементах
энергосистемы. Устройства релейной защиты реагируют
10
на к. з. н действуют на отключение выключателей защи-
щаемых элементов.
Релейная защита должна срабатывать прн поврежде-
ниях в защищаемой зоне (прн внутренних повреждениях)
и ие должна срабатывать при повреждениях вне защи-
щаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при
отсутствии повреждений.
При эксплуатации защиты возможны нарушения данных функ-
ций (например, вследствие погрешностей отдельных органов защи-
ты, выхода из строя ее элементов), т. е. происходят отказы функци-
онирования. Возможны следующие виды отказов (в .соответствии
с основными функциями защиты): отказы срабатывания
при требуемом срабатывании, излишние срабатывания
при повреждениях с требованием несрабатывания и ложные сра-
батывания при отсутствии повреждений в энергосистеме.
Достаточно полноценное функционирование защиты обеспечи-
вается при выполнении определенных требований к некоторым об-
щим свойствам.
В табл. В-I приведены эти требования применительно к релей-
ной защите от к. з. [1].
Первое из этих свойств представляет собой селективность за-
щиты, Второе называют устойчивостью функционирования. Третье
свойство представляет собой надежность функционирования.
Совокупность первого и второго свойств образует техническое
совершенство защиты
Селективностью называется свойство защиты, обеспечивающее
отключение при к. з, только поврежденного элемента системы с по-
мощью выключателей. Селективность не исключает возможности
срабатывания защит как резервных в случаях отказа выключателей
или защит смежных поврежденных элементов.
Селективность срабатывания устройства защиты при вну1рсн-
них к. з. характеризуется его защитоспособностью и быстротой сра-
батывания. Защитоспособность — это свойство (способность) защи-
ты защищать весь элемент при всех учитываемых видах к. з.
Быстрота срабатывания защиты необходима для уменьшения
влияния понижения напряжения на работу потребителей, благода-
ря чему повышается устойчивость нагрузки, уменьшаются размеры
разрушения поврежденного элемента, повышается эффективность
АПВ и АВР.
Устойчивость функционирования определяется устойчивостью
несрабатывания (отстроенностью) при внешних к. з. ив режимах
без к. з. и устойчивостью срабатывания (чувствительностью) при
к. з. в защищаемой зоне. Чувствительность защит обычно оценива-
ется их коэффициентом чувствительности.
Устойчивость быстроты срабатывания характеризуется стабиль-
ностью времени срабатывания защиты при внутренних к. з. Это
понятие относится в основном к защитам, работающим без выдерж-
ки времени.
Надежность. Под надежностью понимается свойство выполнять
заданные функции с заданным техническим совершенством. Надеж-
ность, как и другие свойства, в соответствии с разделением функции
на три рода делится на надежность срабатывания при внутренних
к. з. и надежность несрабатывания при внешних к. з и режимах без
к. з.
И
Общие свойства
Срабатывание при внутренних к. й.
Техническое совершенство. Селективность Селективность срабаты- вания при внутренних к. 3,
Защитоспособ- ность к Быстрота сра- батывания
Устойчивость функциониро- вания Устойчивость срабаты- вания
Чувствитель- ность к к. 3. Устойчивость быстроты сра- батывания
Надежность функционирова-
ния
Надежность срабатывании при
внутренних к, з.
Таблица В-1
Род функций
Несрабатывание при внеш- них к. 3. Несрабатывание без к. з.
Селективность несрабаты- вания яри внешних к. з. Селективность • не- срабатывания без К. 3.
Устойчивость несрабаты- вания при внешних к. з. (отстроенность яри внешних к. з.) Устойчивость несра- батывания без к. з, {отстроенность без К. 3.)
Надежность несрабаты- вания при внешних к, з. Надежность несраба- тывания без к, з.
В-4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЗАЩИТ
Функциональная схема защиты как устройства автоматическо-
го управления (рис. В-2) содержит следующие основные органы:
Измерительный орган ИО, непрерывно контролирующий состоя-
ние защищаемого объекта и определяющий условия срабатывания
(или несрабатывания) в соответствии со значениями параметров
электрических сигналов, поступающих на его вход от измерительных
преобразователей ИП,
Логический орган ЛО, фор-
мирующий логический сигнал при
выполнении определенных усло-
вий.
Исполнительный орган Исп.
О, формирующий на основе си-
гнала логического органа уп-
равляющее воздействие УВ на
выключатель защищаемого объ-
екта.
Дополнительно в схеме защи-
ты предусматривается сигналь-
ный орган СО, формирующий ло-
гические сигналы о срабатывании
защиты.
Защиты подразделяют на ос-
Рис. В-2. Функциональная схе-
ма защиты как устройства ав-
новные и резервные. тематического управления.
Основной называется защи-
та, предназначенная для работы
при всех или части видов к, з, в пределах всего защищаемого элемен-
та со временем, меньшим, чем у других установленных защит [1].
Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вме-
сто основной защиты данного элемента при ее отказе или выводе из
работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе
или отказах выключателей смежных элементов.
В соответствии со способами обеспечения селективности при
внешних к. з. различают две группы защит: с абсолютной селектив-
ностью и с относительной селективностью.
Относительную селективность имеют защиты, на которые по
принципу действия можно возложить функции резервных при к, з.
па смежных элементах. С учетом этого такие защиты в общем слу-
чае должны выполняться с выдержками времени.
Абсолютную селективность имеют защиты, селективность кото-
рых при внешних к. з. обеспечивается их принципом действия, т. е.
защита способна сработать только при к. з. на защищаемом эле-
менте. Поэтому защиты с абсолютной селективностью выполняются
без выдержек времени.
Короткие замыкания в системе электроснабжения, как правило,
сопровождаются возрастанием тока. Поэтому первыми в энерго-
системах появились токовые защиты, действующие в тех случаях,
когда ток в защищаемом элементе превышае! заданное значение.
Такие защиты выполняются плавкими предохранителями и реле.
Токовые защиты могут кроме полных токов фаз использовать также
слагающие обратной и нулевой последовательностей тока, практи-
чески отсутствующие в нормальном режиме. Если сравнивать дей-
ствующее значение тока (или его симметричных составляющих)
13
с заданными значениями, то защита будет иметь относительную се-
лективность, Если же сравнивать комплексы токов по концам за-
щищаемого элемента, то указанную защиту называют дифференци-
альной токовой. Этот принцип позволяет выполнить защиту с абсо-
лютной селективностью.
В качестве измерительных органов применяются также мини-
мальные реле напряжения, которые срабатывают, когда значение
воздействующей величины становится меньше заданного.
Защиты напряжения могут фиксировать повреждения и по по-
явлению слагающих напряжения обратной и пулевой последователь-
ностей. В этих случаях измерительные органы выполняются на ос-
нове максимальных реле напряжения.
В ряде случаев не удается выполнить защиты на основе отме-
ченных простейших принципов. Поэтому применяется дистанционный
принцип, который предусматривает совместное использование тока и
напряжения защищаемого объекта таким образом, что при к. з. па
границе защищаемой зоны в измерительном органе защиты (реле
сопротивления) формируется сигнал, пропорциональный сопротив-
лению пегли к. з.
На основе рассмотренных принципов могут быть выполнены за-
щиты с относительной селективностью.
При реализации защит с относительной селективностью для эле-
ментов системы электроснабжения, получающих питание от двух или
более источников питания, для обеспечения их селективности возни-
кает необходимость фиксировать направление мощности к, з. и тем
самым обеспечивать их действие при условии определенного направ-
ления этой мощности (например, от шин—в линию). В этих случаях
рассмотренные токовые и дистанционные защиты выполняются на-
правленными. Способность определять направление мощности обес-
печивается применением специальных органов направления мощно-
сти (как правило, в токовых защитах) или приданием направлен-
ности действия измерительному органу (направленные реле сопро-
тивления в дистанционных защитах),
В-5. ИЗОБРАЖЕНИЕ РЕЛЕ НА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМАХ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
В настоящее время принципиальные схемы релейной
защиты выполняются разнесенными. На разнесенных схе-
мах отдельно изображаются цепи измерительных орга-
нов, оперативного тока и цепи сигнализации. Различные
элементы реле защиты (например, обмотка и контакты)
оказываются при этом изображенными на разных схе-
мах или в различных частях одной и той же схемы.
Изображение реле и его отдельных элементов на схе-
мах регламентируется ГОСТ. Положение контактов ре-
ле, а также контактов других коммутационных аппара-
тов на принципиальных схемах релейной защиты соответ-
ствует обесточенному состоянию аппарата. Контакты
классифицируются по выполняемым ими функциям в.
14
Наименование
Обозначение
>бмотка реле
контакты:
замыкающий
без выдержки времени
с выдержкой времени;
на замыкание
на размыкание
на размыкание и замыкание
размыкающий
без выдержки времени
с выдержкой времени;
на размыкание
на замыкание
на размыкание и замыкание
переключающий
переключающий без размыкания
цепи
замыкающий п размыкающий
без самовозврата
замыкающий кратковременно
(импульсный)
15
Продолжение
Наименование
замыкающий и размыкающий
путевого выключателя
электрических цепях при переходе реле из обесточенного
состояния в новое состояние, обусловленное подачей на
него достаточного по значению управляющего воздейст-
вия. В. технике релейной защиты различают контакты:
замыкающие без выдержки времени, с выдержкой
времени иа замыкание, с выдержкой времени на размы-
кание, с выдержкой времени на замыкание и размыка-
ние;
размыкающие контакты с теми же временными ха-
рактеристиками;
переключающие контакты.
Допускаемые ГОСТ изображения контактов и обмо-
ток реле -представлены в таблице.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ЛИНИЙ
1-1. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ
Основным видом повреждений линий являются корот-
кие замыкания, причинами возникновения которых могут
быть перекрытия или пробои изоляторов в результате
Т а б л и ц а 1-1
Схема
Виды к. з.
3EL
Трехфазное к, з. К(Э)
Двухфазное к. з. К(г>
Двухфазное к. з. К(1,1) па землю
Двойное замыкание па землю 4 Кде'1*
Однофазное короткое замыкание на
землю К(!)
Однофазное замыкание на землю К13
2-529
17
прямых ударов молнии или перенапряжений; неправиль-
ные действия эксплуатационного персонала; перекрытия
изоляторов при их загрязнении; нарушение изоляции жи-
вотными и птицами н др.
Различные виды к. з. представлены в табл. 1-1.
Вероятность возникновения того или иного вида к. з.
различна. Чаще других возникает однофазное замыкание
на землю. В сети с глухозаземленной нейтралью (НОкВ
и выше)' в месте замыкания проходит большой ток к. з.
В сети с изолированной или заземленной через дугогася-
щий реактор нейтралью ток однофазного замыкания на
землю имеет небольшие значения, определяемые ем-
костью проводов сети относительно земли.
В месте к. з. возникает, как правило, электрическая
дуга, сопротивлением которой при расчетах токов по-
вреждений обычно пренебрегают. В случае необходи-
мости сопротивление дуги может быть учтено в соответ-
ствии с приближенным выражением
гл^ 1050 А- , (1-1)
I л
где /д и /д— соответственно длина дуги, м, и ток, А.
1-2. МЕЖДУФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ
При трехфазном к.з, (рис, 1-1,6) все три фазы ока-
зываются поврежденными и в них проходят одинаковые
(по абсолютному значению) токи к. з., образующие на
векторной диаграмме (при одинаковых условных поло-
жительных направлениях токов во всех фазах, например,
к месту к. з.) симметричную звезду векторов прямой по-
следовательности фаз. Фазовый сдвиг ср«3> токов к. з. по
отношению к создающим их э. д. с. энергосистемы Е{. оп-
ределяется аргументом суммарного сопротивления энер-
госистемы Zc=zceJ<Pc и линии 2Л_ :
<р(3) arg (Zc -р гл) = argZ2. (I-2)
Абсолютное значение токов к. з. определяется
/<3) = _£<аФ = (1-3)
где Ес ф п Ес, — фазная й междуфазная э. д. с.
18
Напряжения всех фаз в месте к. з, (точка К<3>) равны
нулю:
= о, (1-4)
а напряжения в месте установки защиты, т, е. в начале
линии, определяются токами к. з. и сопротивлением ли-
нии до места повреждения
uT = z„i^-, 04? = z,JT; (1-5)
Трехфазное к, з. является наиболее тяжелым видом
повреждения, вызывающим появление наибольших токов
к. з. Поэтому трехфазное к. з. является расчетным при
определении максимального тока короткого замыкания,
Рис. 1-1. Векторные диаграммы то-
ков и напряжений в месте установки
защиты при различных видах к, з.
2*
19
При двухфазном к. з. ток в петле короткого замыка-
ния создается мсждуфазной э. д. с., например, ЕВс при
двухфазном к. з. между фазами В и С. Ток в неповреж-
денной фазе без учета токов нагрузки можно считать от-
сутствующим (/а=0). Токи в поврежденных фазах (то-
ки к.з.) противоположны по фазе (рис. 1-1,в).
2(^ + ^с) ’
(1'6)
а их абсолютные значения равны:
_____ Ес V3£*стф I 3 .(3)
к ~ ~2Z7 " 2Zy ~~ 2 *
Z, А **
(1-7)
В месте к. з. межлуфазное напряжение Ubc,k равно
нулю. Следовательно, = Пс.к. Из (1-6) ясно, что
= (Zc + Zn) № Ёв- 0,$Ёнс
(1-8)
В месте установки защиты напряжения поврежден-
ных фаз
1/с1 = У&-0,5УЙ-. | ’’
Двухфазное к. з. является несимметричным. Посколь-
ку сумма токов поврежденных фаз равна пулю, токи
двухфазного к. з. содержат только составляющие пря-
мой и обратной последовательностей.
Следует иметь в виду, что в маломощных сильпоиагружснных
установках на ряде производств (шахты, сельскохозяйственные и
т. п.) мощности источников питания и потребителей соизмеримы.
Поэтому токи несимметричных к. з. в этих случаях претерпевают
существенные изменения, что определяет необходимость учета вли-
яния токов нагрузки [3].
1-3. ОДНОФАЗНЫЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ
В Советском Союзе глухое заземление нейтрали при-
меняется в сетях напряжением 110 кВ и выше.
При к. з. на землю, например, фазы С сети с глухоза-
земленной нейтралью (рис. 1-1, г) токи неповрежденных
20
фаз без учета нагрузки равны нулю (ZA=/e==0). В по-
врежденной фазе проходит ток к, з.
/<‘> = з—
(1-10)
где Zb Z2, Zo — суммарные сопротивления энергосистемы
и линий прямой, обратной и нулевой последовательностей
соответственно.
Ток к. з, сдвинут по фазе относительно э. д, с. Ес на
угол фк’ — arg(Zi+Z2+Z0),
Напряжения неповрежденных фаз А и В несколько
превышают э, д. с, соответствующих фаз системы. Объ-
ясняется это тем, что в неповрежденных фазах наводится
э. д. с, взаимоиндукции Ем под действием тока, протека-
ющего в поврежденной фазе (см. рис. 1-1, г). Напряже-
ние поврежденной фазы в месте к, з. равно нулю, а в ме-
сте установки защиты определяется сопротивлением пет-
ли провод — земля.
Ток однофазного к. з. содержит токи прямой, обрат-
ной и нулевой последовательностей.
В случае заземления нейтралей всех трансформато-
ров сети суммарное сопротивление нулевой последова-
тельности может оказаться меньше суммарного сопро-
тивления прямой последовательности, в результате ток
однофазного к. з. может быть больше тока трехфазного
.к. з. Обычно часть нейтралей разземляется так, чтобы
ток при однофазном к. з. не превышал тока при трех-
фазном К. 3.
1-4. ОДНОФАЗНЫЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
Сети напряжением 6—35 кВ работают с изолирован-
ной нейтралью или с нейтралью, заземленной через боль-
шое индуктивное сопротивление — дугогасящий реактор.
Работа сети с изолированной нейтралью считается допу-
стимой, если ток в месте замыкания на землю в сетях с
напряжением 6, 10 и 35 кВ не превышает соответственно
30, 20 и 10 А. При больших токах устанавливаются дуго-
гасящие реакторы.
Ток однофазного замыкания на землю обусловливает-
ся емкостями фаз Са, Св, Сс по отношению к земле
21
(рис. 1-2). Напряжение замкнувшейся фазы Ua относи-
тельно земли в связи с весьма малым током замыкания
на землю можно считать в любой точке сети равным ну-
лю. При этом напряжение нейтрали системы Ua—
~Ua—Ел ——Еа> а напряжения неповрежденных фаз
равны: йв — Ён-^-Ёв — Ёв—Ёа\ Ёс~Ё11-^-Ёс:=Ёс—Ёа.
Емкостные токи в сети и месте замыкания на землю
связаны _соотношением 7емк,а + /СМк,в + /емк.с+/3,a = 0.
Ток /емк.А равен нулю, поскольку емкость СЛ шунти-
рована, следовательно, /з!а=~(Лмк,л+7емН]с).
Рис. 1-2. Векторная диаграмма токов и напряжений в месте уста-
новки защиты при однофазном замыкании на землю.
Таким образом, ток однофазного замыкания на землю
опережает э. д. с. заземленной фазы на 90° (см. рис. 1-2).
Если учесть, что /емк,л=/(йСвУв и то аб-
солютное значение тока замыкания иа землю определя-
ется как
уз/ем„ = |/'3<оСУ,|ф = ЗсоСУф, (1-11)
где С - емкость фазы по отношению к земле; U$ — фаз-
ное напряжение сети,
22
Ток замыкания на землю в сети с изолированной ней-
тралью, как и ток однофазного к. з., содержит состав-
ляющие прямой, обратной н нулевой последовательно-
стей.
1-5. ДВОЙНОЕ ЗАМЫКАНИЕ НА ЗЕМЛЮ
Двойное замыкание иа землю является, как правило,
следствие'м длительной работы сети с однофазным замы-
канием на землю. Замыкание иа землю другой фазы в
другой точке сети возникает вследствие повышенных (до
междуфазных) значений напряжений неповрежденных
фаз относительно земли.
В частном случае замыкание па землю двух фаз мо-
жет произойти в разных точках одной линии, например
фазы С в начале, а фазы В — в конце линии (рис, 1-3),
При этом на участке от нейтрали И до шнн сумма токов
фаз равна нулю, а7в=—1с, т. с. токи содержат только со-
ставляющие прямой и обратной последовательностей.
На участке ШК, как и при однофазном к. з., /а = /с —О,
а /в^О, следовательно, токи фаз содержат составляю-
щую нулевой последовательности.
При равенстве сопротивлений прямой и обратной по-
следовательностей токи в поврежденных фазах в рас-
23
сматриваемом случае могут быть определены из выра
жени я [4J
вс
/ в -=
6ZC1 +2Zjn + ZJI0
(1-12)
На рис. 1-3 приведена векторная диаграмма токов н
напряжений в месте установки релейной защиты, т. е. в
начале линии. Напряжение фазы С относительно землн
равно нулю (t7c = O). Поэтому нейтраль системы смеша-
ется на величину UH—Zjc—Ес. Напряжения фаз А и В
определяются выражениями:
UА - + ЁА; йв - йя + Ёв - /в Zc.
При замыканиях иа землю двух фаз на разных лини-
ях (точки X/, К2 на рис, 1-3) ток в местах установки за-
щит (начала линий Л/, Л 2) проходит только в одной
поврежденной фазе. Поэтому особенностью участка сети
между точками замыкания фаз на землю является нали-
чие» как указывалось выше, тока нулевой последователь-
ности, Ток в земле проходит под проводами линий (пока-
зано пунктиром), поскольку при этом индуктивное сопро-
тивление контура тока получается наименьшим.
1-6. ТОКИ В ЛИНИИ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ НА СТОРОНЕ НИЗШЕГО
НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИЕМНОЙ ПОДСТАНЦИИ
Линии электропередачи системы электроснабжения
являются источниками питания понижающих подстанций.
Трансформаторы подстанций обычно имеют схему соеди-
нений обмоток y/A-11- Поскольку защиты линий, как
правило, должны быть чувствительны к к. з, за транс-
форматорами, необходимо определить токи, проходящие
с питающей стороны при к, з. за трансформатором.
Векторные диаграммы токов со стороны питания прн
к, з, за трансформаторами со схемами соединения обмо-
ток Y /Д-11 и А/ Y -11 аналогичны.
Прн коэффициенте трансформации трансформатора
A/y - Нм токи /а, /р, /7 в обмотках трансформатора, сое-
24
днненных в треугольник, могут быть выражены через
токн 1а у, /ву, Лу фаз со стороны звезды трансформа-
тора следующим образом [1] (табл, 1-2):
(1-13)
Полагая для упрощения п = I, токи фаз со стороны
питания па основании (1-13) можно выразить как
Применив (1-14), можно построить векторные диа-
граммы токов при многофазных и однофазных к. з. на
низшей стороне, приведенные в табл, 1-2.
При питании трансформатора со стороны звезды (см,
табл, 1-2) можно получить соотношения между токами
питающей и питаемой сторон трансформатора, подобные
(114>
(Ы5)
25
26
Таблица 1-2
повреждении
стороны с питающей стороны
К(3} /((I)
4 5 6 7
о = ® / т'3‘ iS / У з V з V з •1 ;(г> к v f(2) 2сд 'ЙМ?; Из г (2) !_ Г (2) У СД ~ z — ' CY ИЗ 1(,> >' Ч’Д V /!П /(D .. л- /(1) = JBA =-4г/й, Кз ’ ]/ 3
27
На практике широкое распространение получили так-
же трансформаторы с соединением обмоток у/у0 (иа-
пример, понижающие цеховые трансформаторы с напря-
жением иа низшей стороне 0,4—0,23 кВ). В этом случае
при однофазном к. з, на стороне низшего напряжения
(рис. 1-4, а, б)
'= + Л>лп- (Мб)
-j* Xqt
Поскольку на стороне высшего напряжения токи ну-
левой последовательности протекать не могут, то ток в
28
Продолжение
повреждении
стороны С питающей стороны
к(*> -К(3> к<2) кП)
4 5 6 7
— / Гв> f !А\' f<3) / *£¥ / X, ;<3) Л/ЛУ Кз Из из Ж = /Ц; /^=ig} = = _1_ Уз ВЛ —
поврежденной фазе на стороне высшего напряжения оп-
ределяется как
= (Ы7)
а в неповрежденных фазах Ви С
~ “ ~у Aw (1- 17а)
На практике для расчета тока однофазного к, з. на
стороне низшего напряжения трансформатора у/у#
29
обычно применяется следующее приближенное выраже-
ние;
/(1) UУ
ли ’
(1-18)
где (7ц—номинальное напряжение трансформатора на
стороне низшего напряжения; zft*— расчетное сопротив-
ление трансформатора при однофазном к. з., значение
Рис, 1-4, Однофазное к, з. за- трансформатором.
которого в 2—3,6 раза превышает сопротивление прямой
последовательности для трансформаторов разных типов.
Сопротивление питающей сети прн этом не учитыва-
ется, так как оно, как правило, много меньше сопротив-
ления трансформатора,
В последние годы получили распространение понижа-
ющие трансформаторы со схемой соединения Д/у о- Со-
противление zft* в выражении (1-18) равно сопротивле-
нию прямой последовательности трансформатора. На
стороне высшего напряжения при этом ток проходит в
двух фазах (см. табл, 1-2) и значение его значительно
больше, чем при схеме соединения обмоток силового
трансформатора Y/Yo, При этом вследствие увеличения
токов к. з. улучшаются условия срабатывания релейной
защиты и предохранителей.
(-7. РАЗРЫВ ФАЗЫ
При разрыве одной фазы линии возникает несиммет-
ричный режим. Для расчета несимметричная схема при-
водится к схеме без разрыва [1] путем включения в
20
разорванную фазу продольной э. д. с. Е^а (рис. 1-5),
значение которой выбирается из условия равенства нулю
результирующего тока разорванной фазы /Рез,А- Если счи-
тать, что в неповрежденных фазах В и С продольные
э. д. с. Епр.в и Еир,с равны нулю, то значения симметрич-
ных составляющих продольной э. д. с. ЕПр,д определятся
как
Ё1 пр,Д — Ёо пр,Д — Ёо пр,Д — ~ Ё
□
(1-19)
пр, Д.
Результирующий ток фазы А /рез,д— 0 складывается
из тока /Пр,а, вызываемого продольной э. д. с, Ёпр,д, и то-
ка I нагр предшествующего нагрузочного режима:
/рез, А — 0 ~ Лпр, А 4" Лпр, А 4" А)пр, А 4“ /нагр. (1-20)
С учетом (1-19) и (1-20), а также схем замещения се-
ти для симметричных составляющих нетрудно получить)
3/(3)
р ____ _____ нагр_________
пр,л" i/zis + i/z22 + i/z02 >
где Zs — эквивалентные сопротивления схем замещения
соответствующих последовательностей для продольной
э. д. с.
Появляющиеся при разрыве фазы токи обратной последователь-
ности могут явиться причиной недопустимых нагревов электричес-
ких машин. Токи нулевой последовательности могут оказывать ме-
шающее влияние на линии связи. Поэтому, как правило, целесооб-
разно отключать повреждения в виде разрыва фазы.
Вместе с тем в ряде случаев считается допустимым наличие
длительного неполнофазного режима работы линий, что может су-
щественно повышать надежность электроснабжения (в особенности
Рис. 1-5. Разрыв фазы Линии.
31
для потребителей, имеющих одностороннее питание). В этих случаях
наличие токов и напряжений обратной и нулевой последовательно-
стей должно быть учтено для обеспечения правильной работы ре-
лейной защиты.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ
2-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
Основными видами повреждений линий электропере-
дачи, требующими их немедленного отключения, являют-
ся однофазные нли междуфазные к. з. Защита линии
должна выявить факт повреждения и подать сигнал па
отключение поврежденной линии от источников питания.
Для защиты линий от к. з. широкое распространение
получили защиты, реагирующие на превышение током в
месте их включения некоторого заранее установленного
значения. Такие защиты называются максимальны-
ми токовыми.
Максимальные токовые защиты могут быть реализо-
ваны с использованием различных технических средств:
предохранителей с плавкими вставками;
электромагнитных и тепловых расцепителей выклю-
чателей напряжением до 1000 В (автоматических выклю-
чателей) ;
максимальных реле тока в совокупности с реле време-
ни, промежуточными и указательными реле.
Максимальные токовые защиты линий широко ис-
пользуются в радиальных электрических сетях напряже-
нием до 35 кВ, В сетях с напряжением ниже 1000 В за-
щита, как правило, выполняется иа предохранителях, а в
сетях напряжением выше 1000 В — с использование^
реле,
2-2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ДЛЯ МАКСИМАЛЬНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
Предохранитель представляет собой коммутирующий
аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса, изго-
товленного из изолирующего материала и двух металли-
ческих электродов, закрывающих корпус с обоих торцов.
Электроды соединены между собой плавкой вставкой,
проходящей внутри корпуса предохранителя. По плавкой
вставке проходит ток защищаемой линии,
32
Действие предохранителя основано на выделении тепла при про-
хождении тока по его плавкой .вставке. В нормальном режиме рабо-
ты выделяемое в плавкой вставке тепло нагревает саму вставку и
корпус предохранителя н рассеивается в окружающем пространст-
ве. Температура вставки не превышает при этой температуру ее
плавления.
При повышенных токах температура вставки превы-
шает температуру плавления, вставка плавится, возни-
кает электрическая дуга, которая затем гаснет, и проис-
ходит разрыв электрической цепи. Время разрыва элект-
рической цепи
- taa + /д, (2-1)
где /дл — время разогрева вставки до ее расплавления;
/д — время существования электрической дуги.
Для сокращения времени горения электрическойГдуги
используются специальные мероприятия, из которых наи-
большее распространение получили следующие: изготов-
ление корпуса предохранителя нз газогенернрующего ма-
териала; заполнение внутреннего пространства предохра-
нителя специальным наполнителем, в качестве которого
используется в основном кварцевый песок.
В первом случае при возникновении дуги стенки кор-
пуса предохранителя интенсивно разогреваются, образу-
ется большое количество газа, давление внутри корпуса
увеличивается, что способствует гашению дуги. Во вто-
ром случае наполнитель поглощает выделяемое дугой
тепло, что способствует деионизации пространства внут-
ри корпуса предохранителя н гашению дуги.
Предохранитель выполняет функции всех элементов
токовой защиты, а также функции измерительного пре-
образователя тока и выключателя линии. Предохрани-
тели очень просты в исполнении, дешевы, что н предопре-
делило их широкое применение в качестве токовой защи-
ты линий, особенно в распределительной электрической
сети напряжением 0,4 кВ,
Предохранители характеризуются следующими пара-
метрами: номинальный ток плавкой вставки /ведгом; но-
минальный ток предохранителя /пр,ноль номинальное на-
пряжение предохранителя /7Пр,пом; предельный отключае-
мый ТОК /откл.тах-
Кроме того, предохранитель обладает время-токовой
(или защитной) характеристикой.
3—529 33
Номинальный ток плавкой вставки определяется до-
пустимой температурой вставки в рабочих режимах за-
щищаемой линии, т. е. это предельное значение тока, при
длительном прохождении которого вставка не расплав-
ляется, Значение этого тока может быть получено для
каждого типа плавкой вставки в соответствии с выраже-
ниями:
I ._____ ^исп,нб /9 91
'вс,НОМ “—
1,3 ч- 1,5
ИЛИ
1. _ Aicn.HM /9
I ВС,НОМ —7 г \^-<V
] ,6 ч- 2,1
где /исп.нб —наибольший ток, при котором плавкая встав-
ка не перегорает в течение часа; 7Исп,нм — наименьший
ток, при котором вставка перегорает в течение часа.
Оба указанных значения тока определены для данно-
го типа плавкой вставки как среднестатистические в про-
веденной серии испытаний.
Номинальный ток предохранителя ограничивается его
нагревательной способностью. Прн длительном прохож-
дении этого тока через предохранитель корпус предохра-
нителя не перегревается. Номинальный ток предохрани-
теля должен быть не меньше максимального значения
номинального тока плавкой вставки, используемой с
данным предохранителем.
Номинальное напряжение предохранителя определя-
ется электрической прочностью корпуса. При использо-
вании предохранителя в электрической сети, напряжение
которой не превышает (Лгр.ном, можно быть уверенным,
что после перегорания плавкой вставки предохранитель
-не будет перекрыт электрической дугой даже при нали-
чии перенапряжений в сети.
Предельный отключаемый ток определяет отключаю-
щую способность предохранителя. Это максимальный
ток, при разрыве которого корпус предохранителя не раз-
рушается, и после замены плавкой вставки предохрани-
тель может снова выполнять функцию токовой защиты.
Выбор предохранителей, используемых в качестве то-
ковой защиты, должен осуществляться с соблюдением
следующих условий:
(2-4)
/пр.иом /раб,max} (2-5)
1откл.тах^' ?к,тахг
34
где Uc — номинальное напряжение электрической сети,
в которой используется предохранитель; /раб,тал- — мак-
симальный рабочий ток защищаемой линии;
максимальный ток, проходящий через предохранитель
при к. з.
Номинальный ток плавкой вставки выбирается с уче-
том следующих условий:
вс,ном ^отс /раб,гг!ах;
(2-7)
ВС,НОМ '
1 пер
&пер
(2-8)
где kovC — коэффициент отстройки (йотс — 1,14-1,25);
/пер, &пеР — соответственно ток и коэффициент перегрузки
защищаемой линии.
Ток перегрузки — это относительно кратковременный
ток, превышающий максимальный рабочий ток защи-
щаемой линии и обусловленный режимом пуска или са-
мозапуска электродвигателей нагрузки, получающих
питание по защищаемой линии. Ток перегрузки выбира-
ется большим из следующих двух расчетных значений:
П—1
пер — 7 n,max,i “И /пуск.п»
(2-9)
пер
т
ST
1 пускД,
(2-10)
где kc — коэффициент одновременности, нли коэффици-
/2—1
еит спроса по току (fec<l); —сумма макси-
мальных рабочих токов всех п—1 потребителей, получаю-
щих питание от защищаемой линии, за исключением
электродвигателя нагрузки (n-го), имеющего наиболь-
т
щий пусковой ток; ^/nyCKj —сумма пусковых токов
1
т самозапускающихся электродвигателей нагрузки (как
правило, m<n, так как не вся нагрузка является двига-
тельной, и, кроме того, часть электродвигателей нагруз-
ки при исчезновении напряжения отключается с целью
обеспечения самозапуска электродвигателей ответствен-
ных потребителей).
3*
35
Значение коэффициента перегрузки АПе₽ в (2-8) зави-
сит от условий пуска и самозапуска электродвигателей
нагрузки. При тяжелых условиях пуска и самозапуска
электродвигателей (пуск и самозапуск длительный) Апер
принимается 1,5—2, при быстрых пусках и самозапусках
двигателей &пер —2,5,
В качестве расчетного поминального тока плавкой
вставки принимается большее из двух значений, получен-
ных в соответствии с (2-7) и (2-8). Выбирается плавкая
вставка, имеющая по шкале стандартных токов значение
номинального тока, ближайшее большее к расчетному
значению тока.
Если электрическая сеть, в состав которой входит за-
щищаемая линия, питает потребителей, электрические
установки которых коммутируются магнитными пускате-
лями илн контакторами, а также если в сети имеются
линии, коммутируемые этими аппаратами, значение но-
минального тока плавкой вставки должно быть провере-
но по условию
(2-П)
1U -г- 15
где 1К,min — минимальный ток, проходящий через предо-
хранитель при к. з. на защищаемой линии.
При выполнении условия (2-11) поврежденная ливня
будет отключена предохранителем в соответствии с его
время-токовой характеристикой очень быстро (за 0,1 —
0,2 с), что предотвратит отключение магнитных пускате-
лей н контакторов из-за снижения напряжения на их
электромагнитах.
Время-токовая (защитная) характеристика предохра-
нителя представляет собой зависимость времени разры-
ва предохранителем электрической цепи от проходящего
через предохранитель тока, отнесенного к номинальному
току плавкой вставки. При больших значениях относи-
тельного тока плавкой вставки (больших токах к. з.)
процесс нагрева вставки до температуры плавления про-
ходит столь быстро, что его можно считать адиабатичес-
ким. При этом количество тепла, необходимое для плав-
ления вставки, определяется выражением
^пл = В/всРвс/пл,
где В — постоянный коэффициент; /вс и RBc —соответст-
венно ток и сопротивление плавкой вставки.
36
Пренебрегая временем существования электричес-
кой дуги, можно считать, что время-токовая характерис-
тика предохранителя при больших значениях относи-
тельного тока вставки описывается обратиоквадратичпой
аналитической зависимостью, т. е.
t --
пл г2 ’
где А — постоянный коэффициент.
Рис. 2-1. Согласование время-токовых характеристик предохрани-
телей в радиальной электрической сети.
При небольших относительных токах вставки, когда
в процессе ее нагрева нельзя пренебречь тепловым обме-
ном между вставкой и окружающей средой, аналитичес-
кое описание время-токовой характеристики предохрани-
теля оказывается значительно более сложным.
Необходимо отметить, что время-токовая характеристика пре-
дохранителя обладает значительной нестабильностью, т е. время
разрыва электрической цепи разными предохранителями одного и
того же типа с одинаковыми плавкими вставками при одинаковом
токе вставки оказывается существенно различным (рис. 2-1). Широ-
кий диапазон возможных значений времени разрыва цепи Д/р объ-
ясняется несовпадением характеристик однотипных плавких вставок
и корпусов предохранителей, их старением, а также условиями экс-
плуатации предохранителей. Поэтому время-токовая характерис-
тика предохранителя есть средняя линия в зоне возможных значений
tp. Нестабильность время-токовой характеристики в значительной
37
мере ограничивает возможности использования предохранителей в
электрической сети, имеющей значительное число последовательно
включенных элементов.
Селективность токовой защиты, выполненной на пре-
дохранителях, достигается путем согласования время-то-
ковых характеристик предохранителей смежных участ-
ков электрически сети и электрических установок по-
требителей, Например, при возникновении к. з. в точке
KJ радиальной сети (рис. 2-1) раньше других должна
перегореть плавкая вставка предохранителя 1, а при к. з.
в точке К2 предохранитель 2 должен сработать раньше
предохранителя 3. Следовательно, время-токовая харак-
теристика предохранителя линии, расположенной ближе
к источнику питания, должна лежать выше время-токо-
вой характеристики предохранителя смежного, более
удаленного от источника питания элемента сети (рис.
2-1).
Поскольку время-токовыс характеристики предохра-
нителей как уже отмечалось, имеют существенный раз-
брос, на выбор "номинального тока плавкой вставки пре-
дохранителя линии накладывается еще одно условие,
обеспечивающее селективность защиты. Если смежные
участки радиальной сети защищаются однотипными пре-
дохранителями, то номинальный ток плавкой вставки
предохранителя линии, расположенной ближе к источ-
нику питания, должен превышать номинальный ток плав-
кой вставки предохранителя смежного, более удаленного
элемента сети, как правило, не менее чем иа две ступени
шкалы номинальных токов плавких вставок; для предо-
хранителей типа СПО, а также в случае использования
разнотипных предохранителей — не менее чем на три
ступени. Для предохранителей типа ПК напряжением
6—35 кВ разница в номинальных токах плавких вставок
должна быть не менее одной ступени.
Селективность токовой защиты на предохранителях
может быть обеспечена также соответствующим выбором
не номинальных токов плавких вставок, а площадей их
поперечных сечений в соответствии с выражением
(2-12)
где 3(-! — площадь поперечного сечения плавкой встав-
ки предохранителя смежного элемента сети, более уда-
ленного от источника питания; а — коэффициент, зави-
38
сящий от материала плавкой вставки и конструкции
предохранителя.
Значения коэффициентов, а для различных материа-
лов плавких вставок и различных типов предохранителей,
полученные на основании решения уравнений теплового
баланса плавких вставок, приведены в табл. 2-1 [5].
Таблица 2-1
Материал плавкой вставки предохра- нителя i Материал плавкой вставки предохранителя Z—f
закрытого тип-а с наполнителем открытого или закрытого типа без напол пггеЛя
Медь j СвИНсЦ; Цинк Медь | Свинец Циц <
Медь 1,55 0,2 0,55 1,15 0,15 С 4
Свинец 12,4 1,65 4,5 9,4 1,2 3 3
Цинк 4,5 0,6 1,65 3,5 5,44 1,2
При выборе площадей поперечных сечений плавких
вставок, естественно, должны удовлетворяться условия
(2-9)-(2-11).
После выбора предохранителей необходимо убедить-
ся в чувствительности токовой защиты. Чувствительность
оказывается достаточной, если /к,min по меньшей мере в
3 раза превышает /вс,ном.
Предохранители, как очень дешевые и простые коммутирующие
аппараты, выполняющие одновременно' функции токовой защиты,
получили широкое распространенно в электроустановках потреби ге-
лей и в распределительной электрической сети. Однако невозмож-
ность в ряде случаев согласования их очень нестабильных время-
токовых характеристик ограничивает область их применения
2-3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ
РАСЦЕПИТЕЛЕЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ДО 1000 В (АВТОМАТИЧЕСКИХ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ) ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
В электроустановках напряжением до 1000 В широкое
распространение получили выключатели с встроенными
в них автоматическими устройствами (расцепителями),
отключающими эти выключатели, если проходящий че-
рез выключатель ток превышает ток уставки расцепите-
ля. Такие выключатели получили название автомати-
ческих выключателей. Существуют электромагнитные
и тепловые расцепители.
69
Принципиальная схема электромагнитного расцепителя мгновец-
ного действия н его время-токовая характеристика представлены на
рис. 2-2. Ток коммутируемого автоматическим выключателем элемен-
та системы электроснабжения проходит через обмотку электромаг-
нита расцепителя Э. Прн к. а, ток /к превышает ток уставки расце-
пителя /уст, якорь Я, преодолевая усилие пружины П/, притягива-
ется к электромагниту, рычаг защелки РЗ поворачивается, расцеп-
ляя защелку 3, н под действием пружины П2 контакты К автомати-
Рис. 2-2. Принципиальная схема (а) и время-токовая характеристи-
ка (б) электромагнитного расцепителя мгновенного действия.
ческого выключателя размыкаются, отключая повредившийся эле-
мент от источника питания. Расцепителями мгновенного действия
оснащены выпускаемые отечественной промышленностью автомати-
ческие выключатели серии А. Для организации селективной токовой
защиты линии такие_выключатели практически непригодны, так как
отсутствуют условия согласования время-токовых характеристик ав-
томатических выключателей, установленных на смежных участках
электрической сети. Выключатели серии А используются в основном
для коммутации и защиты электроустановок потребителей.
Промышленностью выпускаются также автоматиче-
ские выключатели серии АВМ, электромагнитные расце-
пители которых имеют две уставки по току срабаты-
вания: /Уст1 и /Уст2- Если проходящий через автомат ток
/уст1 /уст2, то расцепитель срабатывает с выдерж-
кой времени, зависящей от тока I. Принципиальная схе-
ма такого расцепителя и его время-токовая характерис-
тика изображены иа рис. 2-3.
При /уст1 <I<Jуст2 электромагнитная сила притяже-
ния якоря Я к электромагниту Э не преодолевает усн-
40
лие сильной пружины /73, но способна растянуть слабую
пружину 77/. В результате на ось О часового механизма
ЧМ через рычаг Р воздействует сила н ось ЧМ начинает
поворачиваться. При'повороте оси на определенный угол
прекращается удерживание оси часовым механизмом,
якорь притягивается к электромагниту, защёлка расце-
в)
Рис. 2-3. Принципиальная схема (а) и время-токовая характери-
стика (6) электромагнитного расцепителя с часовым механизмом.
пителя и автомат отключаются, разрывая электрическую
цепь. Время разрыва цепи при превышении током цепи
значения 7yCTi зависит от прикладываемой к оси 7М си-
лы, т. е. от тока цепи. При превышении током цепи зна-
чения /уст2 электромагнитное усилие преодолевает уси-
лие пружины 773 и выключатель срабатывает мгновенно.
Значения токов уставки /уСт1 и Лета могут быть изме-
нены при помощи устройств уставки У/ и У2 с фиксаци-
ей устанавливаемых значений по шкалам Ш1 и Ш2.
Автоматы серии АВМ предназначены в основном для
коммутации и защиты электроустановок потребителей;
они дают возможность организации двухступенчатой то-
ковой защиты электроустановки. Первая ступень защи-
ты (/>/уСт2) срабатывает при к. з. в электроустановке,
41
вторая (/ycTi<7<7устг) — при перегрузке защищаемой
электроустановки [6].
Для защиты линии автоматы серии АВМ малопри-
годны в связи с трудностью согласования время-токовых
характеристик автоматов, установленных иа смежных
участках электрической сети. Токовую защиту линий с
использованием этих автоматов удается организовать
лишь в том случае, если /уст2 автомата лиинн, располо-
женной ближе к источнику питания, оказывается больше
тока к. з. на смежном, более удаленном от источника пи-
тания участке сети.
С целью расширения возможностей использования автоматов
для выполнения токовой защиты липни часть автоматов серии АВМ
оборудуем так называемым замедлителем расцепления, который со-
здает независимую от тока дополнительную выдержку времени ta
па срабатывание автомата, регулируемую в пределах 0,25—0,4 с или
0,4—0,6 с. Наличие замедлителя расцепления сдвигает время-токо-
кую характеристику автомата вверх на величину ta, что существен-
но расширясл возможности согласования время-токовых характери-
стик автоматов, установленных на смежных участках электрической
сети. Такне автоматы получили название «селективных».
Тепловой расцени гель представляет собой биметаллическую пла-
стину, по которой проходит ток защищаемого элемента системы
электроснабжения. При повышенных значениях тока, превышающих
длительно допустимое значение, биметаллическая пластина нагрева-
ется и деформируется, воздействуя при этом на рычаг защелки рас-
цепителя, и автомат срабатывает. Такими расцепителями оснащены
автоматы серии А3100. Время срабатывания расцепителя зависит от
тока нагрузки.
Автоматы серин АЗ 110, АЗ 120, АЗ 130 и АЗ i40 оснащены электро-
магнитным расцепителем М1новенного действия и тепловым расцепи-
телем, т е. комбинированным расцепителем. Автоматы серии А3100
предназначены в основном для коммутации и защиты электроуста-
новок потребителей от к. з и перегрузок. Осуществление токовой за-
щиты линии с использованием этих автоматов затруднено.
Таким образом, токовая защита линии, как правило,
может быть реализована лишь с использованием селек-
тивных автоматов серии АВМ, которые характеризуются
следующими параметрами:
номинальное напряжение автомата £/аа,НоМ;
номинальный ток автомата /ав,ном, на неограниченно
длительное существование которого рассчитаны* контак-
ты автомата;
номинальный ток расцепителя /расц,ном, т. е. наиболь-
шее значение тока, неограниченно длительное существо-
вание которого не вызывает срабатывания расцепителя;
ток уставки расцепителя замедленного срабатыва-
ния /уст1;
42
ток уставки расцепителя мгновенного срабатывания
/уст2-
Кроме того, расцепитель автомата характеризуется
его время-токовой характеристикой.
При выполнении токовой защиты с использованием
автоматов необходимо выполнение следующих условий;
с^ав.пом <3’ e/ceTHj
/а з, ном /раб, max *
уст1 J ; »5)/pa6.ma.vj
(2-13)
(2-14)
(2-15)
(2-16)
Ток перегрузки /пер определяется в соответствии с вы-
ражениями (2-9), (2-10). Защита считается чувствитель-
ной, если
1,4. (2-17)
^ус f 2
2-4. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕПЕ
Рассмотренные выше примеры выполнения токовых
защит, в которых функции всех элементов функциональ-
ной схемы токовой защиты выполнялись одним аппара-
том (предохранителем или расцепителем), характерно
для распределительных сетей и электрических устано-
вок потребителей напряжением ниже 1000 В. Основны-
ми элементами при реализации токовых защит линий
напряжением выше 1000 В являются специальные ап-
параты, получившие название реле, Защита, выпол-
ненная с использованием реле, носит название реле й-
н о й защиты.
В технике релейной защиты под реле понимается «ав-
томатически действующий аппарат, предназначенный
при заданном значении воздействующей величины, ха-
рактеризующей определенные внешние явления, произ-^
водить скачкообразное изменение в управляемых систе-
мах (как правило, в электрических цепях управления
или сигнализации)» [1], Реле, используемое в технике
релейной защиты, имеют, как правило, электрические
воздействующие величины и называются электриче-
скими.
43
По своему назначению, выполнению, роду величины,
вызывающей срабатывание, способу включения воспри-
нимающей части, способу воздействия исполнительной
части на выключатель может быть проведена следую-
щая классификация реле.
По назначению реле подразделяются на измери-
тельные н логические. Измерительные реле по
роду величины, вызывающей срабатывание, подразделя-
ются иа реле тока, напряжения, мощности,
частоты н т. д. К логическим реле относятся реле
времени, промежуточные, указательные.
По выполнению различают реле электромеха-
и и че ск не, имеющие подвижные элементы и контакты,
и статические, не содержащие подвижных эле-
ментов и контактов.
По способу подключения воспринимающей части ре-
ле к защищаемому объекту реле подразделяются на
первичные и вторичные. Воспринимающая
часть первичных реле включается в цепь защищаемого
объекта непосредственно, а вторичных реле через изме-
рительные трансформаторы тока или напряжения.
По способу воздействия реле на выключатель защи-
щаемого объекта различают реле прямого и кос-
венного действия. Реле прямого действия непосред-
ственно воздействуют на отключающий механизм приво-
да выключателя. Реле косвенного действия осуществля-
ют отключение выключателя, подавая оперативный ток
на катушку отключения привода выключателя.
Если реле предназначено для срабатывания при воз-
растании воздействующей величины, то оно называется
максимальным, если же реле должно срабатывать
при снижении воздействующей величины, оно называет-
ся минимальным.
Величина срабатывания максимального реле /с,р пре-
вышает величину возврата реле /а,р.
Коэффициент возврата реле тока
= (2-18)
/с,Р
Коэффициент возврата максимальных реле, как пра-
вило, меньше единицы, a ka минимальных реле превы-
шает единицу.
Для выполнения токовой защиты используются реле
тока, времени, промежуточные и указательные реле, При-
44
мером электромагнитного первичного максимального то-
кового реле прямого действия может служить электро-
магнитный расцепитель автомата (рис. 2-2).
Токовая защита линий напряжением выше 1000 В
выполняется с использованием вторичных токовых реле
прямого или косвенного действия.
Обмотки электромагнитов вторичных реле тока вклю-
чаются в цепь защищаемого элемента через измеритель-
ные преобразователи тока (трансформаторы тока ТТ).
В реле поступает вторичный ток ТТ, пропорциональ-
ный току защищаемого объекта, но значительно мень-
ший по абсолютному значению. Кроме того, устройство
защиты оказывается изолированным от высокого напря-
жения защищаемого объекта. Реле прямого действия
воздействует непосредственно на защелку выключателя.
Реле косвенного действия подключает катушку отклю-
чения (КО) выключателя к источнику оперативного
тока (непосредственно или с помощью других реле),
2-5. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ
Максимальная токовая защита линий получила наи-
большее распространение в радиальных сетях с одним
источником питания. Селективность максимальней то-
ковой защиты обеспечивается соответствующим выбо-
ром тока н времени срабатывания. В радиальной сети с
односторонним питанием защита устанавливается на
каждой линии. Защита наиболее удаленной от источни-
ка питания линии имеет наименьший ток срабатывания
и наименьшую выдержку времени. Защита каждой по-
следующей линии имеет выдержку времени, большую вы-
держки времени предыдущей защиты.
Ток срабатывания защиты выбирается большим мак-
симального рабочего тока защищаемой линии. При этом
защита обычно чувствительна к коротким замыканиям
иа предыдущих участках сети.
Параметрами срабатывания максимальной токовой
аащиты являются ток /с,3 и время tc,3 срабатывания за-
щиты.
Время срабатывания (выдержка времени) защиты
i-й линии в общем случае выбирается на ступень селек-
тивности А/ большим наибольшей выдержки времени
D.mcu предыдущих защит (рис. 2-4, а)
tc.a.i ” l), max “Ь (2-19)
45
Ступень селективности Д/ состоит из составляющих
Д/ = I) ^погр.Т Corp,(t—1) С “Ь Сао’ (2-20)
где С,в,(!-1) — время отключения (i—1)-го выключателя;
Corp,; — отрицательная (в сторону уменьшения /с>3) по-
грешность t-й защиты; /погр.д-п — положительная (в сто-
рону увеличении /с>3) погрешность (t—1)-й защиты; tn—
время ииерцни г-й защиты; /зап — времи запаса.
В зависимости от используемых аппаратов (выклю-
чателей и реле) Д/ может иметь различные значения.
При использовании вторичных реле косвенного действия
\t нс превышает 0,2—0,6 с. При использовании менее
точных реле прямого действия Д/ может принимать зна-
чения 0,8—1 с [1].
Ступень селективности чаще всего принимается рав-
ной 0,5 с.
Рис 2-4 Время срабатывания максимальных токовых защит с не-
зависимыми («) И с зависимыми (б) характеристиками выдержки
висмеип в радиальной сети.
46
Максимальная токовая защита в зависимости от ти-
па используемых реле может иметь независимую от то-
ка, а следовательно, и от места к. з. выдержку времени
(рис. 2-4, а) или ограниченно зависимую от тока к. з.
характеристику выдержки времени (рис, 2-4,6). Нали-
чие зависимой от тока характеристики выдержки време-
ни принципиально позволяет ускорить отключение боль-
ших токов к. з.
В первом случае максимальная токовая защита реализуется
на реле тока типа РТ-40 и реле времени, а во втором — на комби-
нированном реле тока и времени типа РТ-80.
Ток срабатывания максимальной токовой защиты,
_т. е? минимальный ток в фазах линии, при котором за-
щита срабатывает, выбирается большим максимального
рабочеготока защищаемой линии с учетом необходимо-
'стн возврата защиты после отключения к. з. защитой
предыдущего участка сети*
Рассмотрим в качестве примера, как будет изменять-
ся ток в линии 3 (см. рис. 2-4) при отключении к. з. в
точке Л/ До момента возникновения к. з. (точка to) ток
в линии (рис. 2-5, а) равен рабочему току /раб. В течение
отрезка времени Л—tQ=tVrt32 по линии проходит ток к. з.
/к. После срабатывания защиты 2 и отключения повреж-
денной линии (в момент времени Zi) ток в линии 3 спа-
дает до значения /зап^Даб. Это объясняется тем, что
электродвигатели, получающие питание от подстанции 2,
за время существования к. з. тормозятся, после ликви-
дации к. з происходит их самозапуск и они потребляют
ток Дай, больший рабочего /раб. Процесс самозапуска
электродвигателей можез быть достаточно длительным.
Во всяком случае, за время Л/ ток самозапуска не успе-
ет снизиться до значения рабочего тока.
Для обеспечения возврата защиты 3 после срабаты-
вания защиты 2 ток ее возврата /В)33 должен быть боль-
ше тока самозапуска
/в>эз = ^.с/за1р (2-21)
где А()ТС — коэффициент отстройки, больший 1.
Ток самозапуска может быть выражен через рабо-
чий максимальный ток
I " /г' I , , (2-22)
47
где k' — коэффициент самозапуска, определяемый кон-
кретным составом нагрузки, получающей питание по за-
щищаемой линии,
Поэтому
^в,зЗ ^отс
k'l г . (2-23)
з paG.f’ia.t 7
Рис. 2-5. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты
по условию возврата реле тока после ликвидации к.з. (а) и по
условию его несрабатывания после успешного АПВ (б).
Ток срабатывания защиты равен:
/с ;й., (2-24)
Кв
где k&— коэффициент возврата реле тока.
Окончательно, опуская индекс 3, относящийся к рас-
смотренному примеру, ток срабатывания максимальной
токовой защиты на основании (2-21) — (2-24) можно вы-
разить следующим образом:
, (2-25а)
«в
Если защищаемая линия оборудована устройством автоматичес-
кого повторного включения (АПВ) (см. гл, 7), то появляется второе
условие определения /сз При отключении линии реле максимальной
токовой защиты возвращаются в исходное состояние. После вклю-
чения липни устройством АПВ электродвигатели, получающие по
этой линии питание н затормозившиеся за время бестоковой паузы
48
АПВ Л/дпв (Рис- 2'5> б), самозалускаются. При этом по линии про-
ходит большой ток /загь который может превышать ток самозапуска
электродвигателей в случае отключения внешнего к, з. Максимальная
токовая защита в этих условиях не должна срабатывать, следова-
тельно, се 7с.з должен быть больше тока, проходящего в линии пос-
ле АПВ, т. е.
^с,з =Аотс ^раб.тал’’ (2-256)
причем k3 может превышать значение в (2-25а).
качестве тока срабатывания максимальной токовой защиты \
/ принимается большее из расчетных значений /с>э, полученных по (2-
f 25а) и (2-256).
• Коэффициенты в выражениях (2-25а) и (2-256) принимаются
обычно равными; k3 — k3 = 1,5-?6; Аотс и Ал при использовании реле
косвенного действия соответственно 1,2—1,3 и 0,8—0,85, а при ис-
пользовании реле прямого действия 1,5—1,8 и 0,65—0,7,
Для защиты с зависимой от тока выдержкой времени А3 и k3
можно принимать меньшими, так как время срабатывания реле,
создающего зависимую выдержку времени, велико при токе, близком
к току срабатывания
Ток срабатывания i-й защиты, как правило, получа-
ется большим тока срабатывания защиты предыдущего
участка что является, как указывалось,
одним из условий селективности действия защиты.
Определяемый в соответствии с (2-25) ток срабаты-
вания защиты является первичным током, т. е. током в
защищаемой линии, при котором защита срабатывает.
Ток срабатывания (уставка) реле тока измерительного
органа защиты определяется током срабатывания защи-
ты и коэффициентом преобразования измерительного
преобразователя (датчика) тока, в частности коэффици-
ентом трансформации измерительных трансформаторов
тока ТТ, а также схемой подключения реле к ТТ.
Ток срабатывания реле и чувствительность макси-
мальной токовой защиты. Ток срабатывания реле тока
измерительного органа защиты определяется следующим
образом;
или с учетом (2-25а)
I _______________________ &отс т
*с,р— & *pa6,maxi
(2-26)
(2-27)
где kcx — коэффициент схемы, равный отношению тока,
проходящего в реле тока защиты в симметричном режн-
4—529
49
ме работы лнннн, к вторичному току ТТ защиты; Кт —
коэффициент трансформации ТТ защиты.
Чувствительность защиты характеризуется коэффи-
циентом чувствительности k4, равным отношению тока в
реле к току срабатывания реле прн гом виде к. з. и при
том режиме работы электрической сети, при которых ток
в реле имеет минимальное значение:
ь , (2-28)
/с.р
Как правило, расчетным по чувствительности видом
к. з. для защиты от междуфазных повреждений являет-
ся двухфазное к. з. в минимальном режиме работы элек-
трической сети.
Максимальная токовая защита'линии считается чув-
ствительной, если коэффициент чувствительности при
к. з. на защищаемой липин не меньше 1,5—2, a k4 при
к. з. на предыдущем участке сети, на котором рассмат-
риваемая защита должна действовать как резервная, не
менее 1,2.
Оценка максимальной токовой защиты. Максимальная токовая
защита получила широкое распространение в радиальных сетях на-
пряжением до 35 кВ.
Защита надежна, так как проста по исполнению и в эксплуата-
ции. Селективность защиты обеспечивается только в радиальной се-
ти с одним источником питания.
Защита небыстродействующая, причем наибольшую выдержку
времени имеют защиты [оловных участков сети, где быстрое отклю-
чение к. з. особенно важно с точки зрения надежности снабжения
потребителей электроэнергией
В отдельных случаях при значительном уменьшении мощности
источника питания в минимальных эксплуатационных режимах чув-
ствительность защиты может оказаться недостаточной, особенно при
к з. на соседних участках сети, когда рассматриваемая защита дол-
жна действовать как резервная,
2-6. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА
Основной недостаток максимальной токовой защиты
заключается в наличии относительно большой выдерж-
ки времени. Поэтому максимальную токовую защиту ис-
пользуют, если это оказывается возможным, совместно
с быстродействующей токовой защитой — токовой от-
сечкой.
Принцип действия токовой огсечки. Токовая отсеч-
ка является быстродействующей защитой, ие имеющей
выдержки времени. Селективность токовой отсечки обес-
50
печивается соответствующим выбором тока ее срабаты-
вания, Ток срабатывания токовой отсечки выбирается
большим максимального тока в месте установки защи-
ты 1к,ы1.тах при к. з. в точках сети, расположенных вне
защищаемой зоны:
/с.3 — ^отс (2-29)
где Аотс — коэффициент отстройки, равный 1,2—1,3.
Для липни с односторонним питанием (рис. 2-6) ,вн,тах еСТЬ
ток трехфазцого к. з, в начале предыдущего элемента сети в макси-
мальном режиме ее работы или, что то же самое, на шинах прием-
ной подстанции (точка К1). Таким образом, токовая отсечка защи-
щает только часть линии. Ее чувствительность характеризуется за-
щищаемой зоной /□ТС’С/ГЕ»
Ток срабатывания реле тока отсечки
/ ___т
1 С , Р — J С . 3
Л т
(2-30)
Отсечка, как указывалось выше, является 'защитой
без выдержки времени. Время ее срабатывания опреде-
ляется небольшой задержкой срабатывания исполни-
тельного органа защиты Zc.otc^O, 1 с, которая необходи-
ма для предотвращения ложного действия защиты на
отключение линии при работе трубчатых разрядников,
устанавливаемых на линиях для их защиты от перена-
пряжений.
ковой линии.
4*
Отсечка тупиковой линии. Токовая отсечка, как пра-
вило, не защищает всю длину линии и поэтому не может
быть основной защитой линии. Однако в частном случае,
когда защищаемая линия питает тупиковую подстанцию
(рнс. 2-7), отсечка может выполняться чувствительной
при к. з. в любой точке
Рис. 2-8. Выбор тока срабатыва-
ния токовых отсечек линии с
двухсторонним питанием.
линии. Для этого ток сра-
батывания отсечки выби-
рается согласно (2-29) по
току к, з. (отстраивается
от тока к. з.) на стороне
низшего напряжения
трансформатора прием-
ной подстанции (точка
К1). Чувствительность
отсечки ха ра ктеризуется
коэффициентом чувстви-
тельности при к. з. в конце
линии (точка Л2), кото-
рый, как правило, оказы-
вается приемлемым
(больше 1,5).
Отсечка линии с двух-
сторонним питанием. То-
ки срабатывания отсечек /
и 2, установленных по
концам линии (рнс. 2-8), в соответствии с (2-29) выбира-
ются одинаковыми и равными
Л:,з1 — 7с,з2 ^к.вн.тах — (2-31)
Зона действия отсечки /—/отсЪ зона действия отсеч-
ки 2—/отс2. Если
и+и>гл> (2-32)
то существует зона /Отс12, при к, з. в которой срабаты-
вают обе отсечки. Если
U + U<!7P (2-33)
то напротив существует зона, при к. з. в которой ни одна
из отсечек не срабатывает.
Таким образом, при к. з. вне зоны /ОТс[2 срабатывает отсечка
только одного конца линии. Однако в частном случае, когда под-
станции Д и Б связаны между собой кроме рассматриваемой линии
62
какими-то другими линиями, защищаемая линия при наличии зоны
1отс12 может быть отключена при к. з. отсечками с обеих сторон.
Указанное возможно, если после отключения линии с одной стороны
ток к. з, проходящий с другого конца, линии, увеличивается, и от-
сечка, установленная на этом конце, может оказаться чувствитель-
ной. В этом случае имеет место каскадное действие отсечек.
Токовая отсечка с пуском по напряжению. Если при
отстройке тока срабатывания отсечки от тока к. з. на
стороне низшего напряжения трансформатора (точка К7
на рис. 2-7) чувствительность отсечки при к. з. в конце
линнн (точка 7(2) оказывается неприемлемо низкой, то-
ковую отсечку целесообразно дополнить пусковым мини-
мальным органом напряжения. Ток срабатывания от-
сечки при этом можно уменьшить, обеспечив минималь-
но допустимую чувствительность при двухфазном к. з. в
конце линии в минимальном режиме, т. е. выбрать 1С 3
следующим образом:
/с>3= , (2-34)
где Ач.т — гарантируемый минимальный коэффициент
чувствительности при к. з. в точке 7(2 (/гчт^ 1 >3).
Для предотвращения ложного срабатывания защиты
при к. з. за трансформатором срабатывание защиты за-
прещается (блокируется) с помощью минимальных ре-
ле напряжения.
Защита имеет измерительный орган тока, роль которого выпол-
няют максимальные реле тока, и измерительный орган напряжения,
в качестве которого используются минимальные реле напряжения.
Измерительные органы подключены к защищаемой линии через
трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (TH). Отсечка срабаты-
вает, когда сработают оба измерительных органа, т. е. когда ток в
линии превышает ток срабатывания защиты, а напряжение линии
ниже напряжения срабатывания защиты.
Напряжение срабатывания защиты отстраивается от
остаточного напряжения в месте установки защиты при
к. з. за трансформатором при прохождении по линии то-
ка, равного току срабатывания отсечки:
С/с<э - + , (2-35)
Йоте
где Аотс — коэффициент отстройки (&отс 1,2); 2Л, ZT—
сопротивления линнн и трансформатора.
53
Вторым условием выбора Uc 3 является отстройка от
минимального рабочего напряжения липин;
C/Ci3i-„-£lW2L~0,7yiloM. (2-36)
&ОТС
За напряжение срабатывания защиты принимается
меиыпее из двух рассчитанных значений Uc.a. Напряже-
ние срабатывания минимальных реле напряжения
Ус.р = , (2-37)
где Ки — коэффициент трансформации трансформатора
напряжения.
При перегорании предохранителей в цепи трансфор-
матора напряжения TH, ко вторичной стороне которого
подключены минимальные реле напряжения, последние
могут сработать. Ложное действие защиты в нормаль-
ном режиме работы линии предотвращается вторым ус-
ловием выбора тока срабатывания защиты — он должен
быть больше максимального рабочего тока линии
’ Л',з —' ^отс раб,max- (2'38)
Защита имеет два измерительных органа (тока и на-
пряжения), поэтому ее чувствительность должна быть
обеспечена как по току, так н по напряжению.
Приемлемый коэффициент чувствительности по току
обеспечен в соответствии с (2-34). Коэффициент чувст-
вительности по напряжению определяется как
*ч.н - , (2-39)
U 2т ах
где Uz-max — наибольшее вторичное напряжение транс-
форматора напряжения при трехфазном к. з. в конце за-
щищаемой линии в максимальном режиме. Приемлемым
является
Характеристика токовой отсечки. Селективность токовой отсеч-
ки обеспечивается выбором тока срабатывания, большим максималь-
ного тока внешнего к. з Токовая отсечка может применяться в
электрической сети любой конфигурации с любым числом источни-
ков питания.
Токовая отсечка — быстродействующая и падежная защита. Ос-
новным достоинством отсечки является быстрое отключение к. з., воз-
никающих вблизи источника питания, т. е. повреждений, сопровож-
даемых большими токами к, з.
Основным недостатком отсечки является то, что в общем случае
она защищает только часть линии, а потому не может быть основ-
ной зашитой линии,
54
2-7. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА СО СТУПЕНЧАТОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ
При совместном использовании максимальной токо-
вой защиты и токовой отсечки обеспечивается надежная
защита линии на всем ее протяжении.
Сочетание токовой отсечки и максимальной токовой
защиты носит название токовой защиты со ступенчатой
характеристикой выдержки времени. Такая защита мо-
жет быть двухступенчатой или трехступеичатой. В двух-
ступенчатой защите в качестве первой ступени исполь-
зуется отсечка; второй ступенью является максимальная
токовая защита. В трехступеичатой защите вторая сту-
пень представляет собой отсечку с выдержкой времени;
максимальная токовая защита образует третью ступень.
Назначением второй ступени защиты является отключе-
ние поврежденной лилии при возникновении к. з. вне зо-
ны действия первой ступени, т. е. в конце линии, а тре-
тья ступень резервирует действие защит смежного участ-
ка сети.
На рис. 2-9 изображена радиальная сеть с односто-
ронним питанием, участки которой (Л5, БВ) защищены
трехступеичатыми токовыми защитами. Токи срабатыва-
ния первых ступеней защит выбираются как токи сраба-
тывания отсечек
/I ~ b В'*) •
с,з2 котс К1тах*
^с.зЗ ^отс ^\<2тах’
Время срабатывания первых ступеней определяется
временем действия исполнительного органа защиты —
промежуточного реле
Токи и времена срабатывания вторых ступеней за-
щит отстраиваются от токов и времени срабатывания
первых ступеней предыдущих защит:
(2-42)
= ^.31 + = <з2 + ~ °-6 С- <2'43)
Чувствительность вторых ступеней защит определя-
ется минимальным током к. з. в конце защищаемой ли-
нии и считается приемлемой при 1,3-у 1,5.
55
(2-40)
f
Л’ = ь в •
с,з2 О ТС С, 31 ’
/” = k в
1 с, зЗ ""отс с ,з2’
Параметры срабатывания третьей ступени выбира-
ются как параметры срабатывания максимальной токо-
вой защиты.
Из рис. 2-9 ясно, что при к. з. на линии действует или первая
ступень (к. з. в начале линии), или вторая ступень (к. з. в конце ли-
нии). Третья ступень выполняет функции резервной защиты при по-
Рис. 2-9. Выбор тока и времени срабатывания ступеней трехступен-
чатых токовых защит.
вреждениях на соседних участках. Таким образом, токовая защита
со ступенчатой характеристикой выдержки времени является селек-
тивной и относительно быстродействующей защитой. Однако не лю-
бая радиальная линия с односторонним питанием может быть обо-
рудована такой защитой, так как чувствительность токовых отсечек
часто оказывается недостаточной,
56
1-8. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
В УСТРОЙСТВАХ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
В качестве измерительных преобразователей тока,
являющихся источником информации о токе защищае-
мого элемента, в устройствах релейной защиты исполь-
зуются, как правило, трансформаторы тока (ТТ) с замк-
Рис. 2-10. Условное изображение ТТ (а) с присоединенной обмот-
кой реле, разметка обмоток (б) и упрощенная векторная диаграм-
ма токов ТТ (а).
нутыми ферромагнитными (стальными) сердечниками.
Трансформаторы тока изолируют цепи устройств релей-
ной защиты от напряжения защищаемого объекта и
обеспечивают стандартное значение вторичного тока
(5 или 1 А) при различных номинальных значениях пер-
вичных токов защищаемых элементов.
Принятое схемное обозначение ТТ показано на рис. 2-10, а. Мар-
кировка зажимов обмоток ТТ производится обычным образом. Если
в первичной обмотке йч мгновенный ток направлен от начала об-
мотки И к копну К, то за начало вторичной обмотки н прини-
мается тот ее зажим, из которого мгновенный ток направляется из
обмотки во внешнюю цепь (рис. 2-10, б). На изображениях схем за-
щит одноименные выводы обмоток иногда обозначают звездочками,
а часто не обозначают вообще, имея в виду, что одноименные выво-
ды обмоток расположены на чертеже рядом.
Для построения векторных диаграмм токов в ТТ
должны быть приняты их условные положительные на-
правления. В технике релейной защиты условные поло-
жительные направления первичного Л и вторичного А
токов ТТ принято обозначать, как показано на
рис. 2-10, а. В этом случае векторы первичного и вторич-
57
кого токов ТТ на векторной диаграмме совпадают по на-
правлению (рис. 2-10, в). Действительно, если прене-
бречь током намагничивания ТТ, алгебраическая сумма
м, д. с. Wil'i и W2I2 равна нулю:
wJi — w%/2 = 0, (2-44)
следовательно,
/2 = Л = Л, (2-45)
где /1 — первичный ток ТТ, приведенный ко вторичной
обмотке. Значит, можно пользоваться одной векторной
диаграммой для первичных и вторичных токов ТТ.
Трансформатор тока работает обычно в режиме,
близком к режиму к. з., т. е. при сопротивлениях на-
грузки, включенной во вторичную цепь ТТ, значительно
меньших внутреннего сопротивлении ТТ, приведенного
ко вторичной обмотке. Следовательно, ТТ представляет
собой источник тока. Размыкание вторичной обмотки ТТ
недопустимо, так как при этом резко возрастает магнит-
ный поток в стали сердечника и ТТ перегревается. Кро-
ме того, на вторичной обмотке появляется большое на-
пряжение, опасное для обслуживающего персонала и
устройства релейной защиты.
Однако ТТ — это не идеальный, а реальный источ-
ник тока, а следовательно, /2 не вполне соответствует
(т. е. не равен 71).
На рис. 2-11 изображены схема замещения и векторная диаг-
рамма ТТ. Все величины в векторной диаграмме приведены ко вто-
ричной обмотке ТТ. За исходный1 при построении векторной диаг-
раммы прЕшят вектор вторичного тока /2.
Напряжение Ь2 на зажимах нк вторичной обмотки ТТ
U-2 — (£нагр "Т МнагрДа* (2-46)
Элеюродвижущие силы, индуктируемые в первичной и вторич-
ной обмотках,
= Ё' = U2 + (₽2 + Д2)72- (2-47)
Машитный поток в сердечнике Ф отстает от Ё1 на 90°. Он оп-
ределяется током намагничивания /нлм’ проходящим в схеме заме-
щения ТТ через сопротивление цепи намагничивания ZHaM— £иам +
+/хнам; /нам отстает от на угол сопротивления цепи намагничи-
вании Угол у между и Ф определяется потерями в стали
сердечника.
58
Приведенное значение первичного тока
71 = /2 + 7иам. (2-48)
Таким образом вторичный ток ТТ, поступающий в измеритель-
ный орган защиты, например токовой защиты липни, строго говоря,
не пропорционален первичному току защищаемого объекта. Чтобы
не допустить неправильного действия релейной защиты из-за неточ-
Рис. 2-11. Схема замещения и векторная диаграмма токов и напря-
жений ТТ
кого преобразования ТТ первичного тока защищаемого объекта, к
ТТ как измерительному преобразователю тока в технике релейной
защиты предъявляются определенные требования по точности пре-
образования.
В технике релейной защиты различают в основном три вида по-
грешностей ТТ,
Токовая погрешность f{ представляет собой арифме-
тическую разность действующих значений вторичного и
приведенного ко вторичной обмотке первичного тока в
процентах к приведенному первичному току
/аТ^/Кт Ю0% =(7-^т- — ф00%, (2-49)
ly! Ду V1 ^Т /
59
где Кт — коэффициент трансформации ТТ (номиналь-
ный, т. е. паспортный).
Токовая погрешность, как это ясно из (2-48), опре-
деляется наличием /нам и зависит от кратности первич-
ного тока ш—/1//1ном, где Л— действительное значение
тока в первичной обмотке, а /цюм — его номинальное
(паспортное) значение. При увеличении т магнитный
сердечник ТТ насыщается и токовая погрешность уве-
личивается. Характерной для ТТ является кратность mto>
при которой /,=10%- Прн дальнейшем увеличении т то-
ковая погрешность ТТ резко возрастает.
Полная погрешность е представляет собой действую-
щее значение разности произведения коэффициента
трансформации ТТ на мгновенное значение вторичного
тока и мгновенного значения первичного тока в процен-
тах к действующему значению первичного тока
где 1\ — действующее значение первичного - тока; Т~
—0,02 с — период промышленной частоты.
Полная погрешность, так же как и токовая, опреде-
ляется наличием тока намагничивания. При отсутствии
витковой коррекции* е в соответствии с (2-50) есть зна-
чение тока намагничивания в процентах к первичному
току (e=/HaM//i*100).
Полная погрешность учитывает наличие в /2 и /Нам
высших гармоник, возникающих в связи с насыщением
стали ТТ,
Угловая погрешность 6 также определяется наличи-
ем /нам и характеризует фазовый сдвиг между первич-
ным и вторичным токами ТТ.
Для токовой защиты линии токовая погрешность не должна
превышать 10% 10%) прн токе к. з., равном току срабатывания
защиты.
* Под витковой коррекцией понимается величина a^Wi/w9Kt—
1, отражающая несоответствие между паспортным (номинальным)
коэффициентом трансформации ТТ Кт и отношением витков вто-
ричной и первичной обмоток Витковая коррекция позволяет умень-
шить токовую погрешность ТТ, предназначенных для питания из-
мерительных приборов при Л < 1,2 /том. В ТТ, предназначенных
для питания цепей релейной защиты, витковая коррекция отсутст-
вует или очень мала.
60
Для токовых защит нулевой последовательности и дифференци-
альных токовых защит считается необходимым обеспечить условие
ес 10%, которое является более жестким.
Угловая погрешность при 10% составляет несколь-
ко электрических градусов, что для релейных защит, ис-
пользуемых в системах электроснабжения, оказывается
вполне приемлемым.
Значение /нам, а следовательно, и погрешность ТТ,
как это видно из рис. 2-11, зависят от сопротивления на-
грузки 7нагР, включенной во вторичную цепь ТТ. Допус-
тимое значение /нагр.доп при кратности первичного тока,
соответствующей условиям срабатывания защиты, мо-
жет быть определено по зависимости kio=f(/нагр), да-
ваемой заводом — поставщиком ТТ. Здесь ki0 — крат-
ность первичного тока, соответствующая прн данном
значении сопротивления нагрузки (при cosфНагР=0,8)
полной погрешности е=10%. Используя эти зависимо-
сти, называемые обычно кривыми предельной
кратности, можно подобрать соответствующие ТТ,
способные питать схему релейной защиты, обеспечивая
е^10% в условиях срабатывания защиты. Если же тип
ТТ задан, то, используя кривую предельной кратности,
соответствующую' данному ТТ, необходимо определить
допустимое значение нагрузки /нагр.доп и позаботиться о
том, чтобы расчетное значение нагрузки ТТ, состоящее
из суммарного сопротивления реле, соединительных про-
водов и других элементов, включенных во вторичную
цепь ТТ, с учетом схемы соединений не превысило зна-
чение /нагр, доп-
2-9. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
И РЕЛЕ ТОКА
Измерительные органы (реле тока) токовых защит
линий от междуфазиых к. з. включаются, как правило,
на полные фазные токи. При выполнении токовых за-
щит линий используются следующие четыре схемы со-
единения вторичных обмоток ТТ и токовых цепей реле
тока: полная звезда (трехфазная, трехреленная); непол-
ная звезда (двухфазная, двухрелейная); неполная звез-
да с реле в обратном проводе (двухфазная, трехрелей-
ная) ; включение реле на разность токов двух фаз (двух-
фазная, одиорелейная).
Схемы характеризуются отношением тока в реле /Р
к вторичному /2 току ТТ, называемым коэффициентом
схемы.
С1
В схеме полной звезды (рис. 2-12, а) в реле
РТ проходят вторичные токи измерительных трансфор-
маторов. Поэтому коэффициент схемы равен единице
(Лсх=1 ) -
Защита может срабатывать при любом виде к. з. Эта
схема применяется обычно в сетях с глухозаземленной
нейтралью, в которых могут возникать нс только между-
фазные, но и однофазные к. з., сопровождающиеся про-
теканием тока в одной фазе. В сетях с изолированной
(компенсированной) нейтралью (6—35 кВ) схема, как
правило, не применяется, так как в этих сетях могут воз-
никать лишь междуфазные к. з., для фиксации которых
достаточно иметь трансформаторы тока в двух фазах.
Следует также иметь в виду, что токовая защита, вы-
полненная по схеме полной звезды, при двойных замы-
каниях па землю в сети с изолированной нейтралью мо-
жет отключать обе поврежденные линии, если их защи-
ты будут иметь одинаковые выдержки времени, тогда
как при этом достаточно отключить лишь одну из линий.
Схема относительно дорогая: требует трех ТТ и
трех РТ.
В схеме неполной звезды (рис. 2-12,6) в реле тока
проходят вторичные токи ТТ, установленных в фазах
А и С; kcx—1. Схема нашла широкое распространение в
Рис. 2-12. Схемы соединения ТТ и реле.
62
сетях с изолированной нейтралью, поскольку она обес-
печивает отключение любого междуфазиого к, з. (двух-
фазного или трехфазного). При замыканиях на землю
на разных линиях фаз АВ или ВС, т. е. в 2/з случаев
двойных замыканий, отключается только одна повреж-
денная линия. Для такого действия защиты ТТ необхо-
димо устанавливать в одноименных фазах (Л и С) иа
всех элементах системы электроснабжения.
Недостатком схемы является пониженная (по сравне-
нию с предыдущей схемой в 2 раза) чувствительность
максимальной токовой защиты при двухфазном к, з. АВ
за трансформатором со схемой соединения обмоток
Y /Д-11 (см. табл. 1-2), поскольку при этом в реле за-
щиты проходит ток, в 2 раза меньший, чем в схеме пол-
ной звезды.
В схеме неполной звезды с реле в обратном проводе
(рис. 2-12, в) через реле ЗРТ, включенное в обратный
провод, проходит сумма вторичных токов фаз Л и С или
(при междуфазных к. з.) ток фазы В с обратным знаком
/р.з = /а + /с--/6. (2-51)
Схема обладает достоинством схемы неполной звез-
ды (использование двух ТТ) и имеет такую же чувст-
вительность при двухфазных к. з. за трансформатором
Y/Д, как и схема полной звезды. Коэффициент схемы
^СХ = 1
Схема неполной звезды с реле в обратном проводе
или без него нашла широкое распространение в токо-
вых защитах линий напряжением до 35 кВ включитель-
но (т. е. в сетях с изолированной нейтралью).
В схеме включения реле на разность токов двух фаз
(рис. 2-12, г) в реле РТ проходит ток, равный разности
токов фаз Л и С, в которых установлены ТТ:
—(2-52)
Коэффициент схемы (в симметричном режиме рабо-
ты защищаемой линии)
---- /3. (2-53)
/2
Достоинством схемы является ее простота и деше-
визна: используется только одно реле тока.
Однако схема имеет недостатки, существенно огра-
ничивающие область ее применения;
оз
защита обладает .пониженной чувствительностью (по
сравнению с рассмотренными выше схемами в ]/3 раз)
при некоторых видах' двухфазных к. з. на защищаемой
линии;
защита отказывает в действии при двухфазном к. з.
Кав за трансформатором у /Д-11, так как 1р=1а—/с
оказывается в этом случае равным нулю (см. § 1-6);
чувствительность защиты, а следовательно, и зона ее
действия зависят от сочетания повредившихся фаз (на-
пример, при Кас чувствительность защиты в 2 раза вы-
ше, чем прн Кав и Хдс ). что препятствует ее исполь-
зованию в качестве первой или второй ступени трехсту-
пенчатой токовой защиты линии.
Схема токовой защиты с включением реле тока на
разность токов двух фаз находит широкое распростра-
нение в электрической сети напряжением до 10 кВ, где
понижающие трансформаторы имеют, как правило, схе-
му соединений д/д—, а выполнение трехступеичатой
токовой защиты оказывается часто невозможным из-за
недостаточной чувствительности первой и второй ступе-
ней. Схема широко применяется также в токовых защи-
тах электроустановок потребителей.
Включение реле через фильтры симметричных со-
ставляющих тока. В ряде случаев с целью повышения
чувствительности защиты к определенным видам по-
вреждений реле тока защиты включаются не на полные
фазные токи защищаемого объекта, а на отдельные сим-
метричные составляющие трехфазной системы токов за-
щищаемого объекта или в общем случае на комбинацию
симметричных составляющих
h ~ Ai Л + ^2 h + ^оАи (2-54)
где klf k2, ko — комплексные коэффициенты преобразо-
вания фильтра.
Реле тока подключается к ТТ защиты через фильтр симметрич-
ных составляющих. Фильтры симметричных составляющих токов вы-
полняются по-разному. Наиболее просты фильтры токов нулевой по-
следовательности, образуемые параллельным соединением ТТ трех
фаз (трехтрансформаторные фильтры) или представляющие собой
измерительные трансформаторы тока специальной конструкции (ти-
па ТНП или ТНПШ — однотрансформаториые фильтры), имеющие
три первичные и одну вторичную обмотки (рис, 2-13). При этом
Л» + Л> + Л» ~ (2-55)
64
Токовая защита с включением реле через фильтр тока нулевой
последовательности реагирует, таким образом, только на поврежде-
ния, сопровождающиеся токами нулевой последовательности. Схема
широко используется в токовых защитах нулевой последовательно-
сти, причем трехтрансформаторные фильтры применяются, как [фа-
Рис, 2-13. Трех- и однотрапсформагорный фильтры тока пулевой
последов а 1елыюсти.
вило, в токовых защитах от одноф-азных к. э. в сетях с глухоза-
земленной нейтралью (НО кВ и выше), а однотрансформаторные в
токовых защитах от однофазных замыканий на землю в сетях с
изолированной (компенсированной) нейтралью (35 кВ и ниже).
2-10. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ОТ К. 3. НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
В сети с глухозаземленной нейтралью замыкание
фазы линии на землю вызывает протекание токов к. з.,
следовательно, поврежденную линию Необходимо по воз-
можности быстро отключить. При к, з. на землю возни-
кают токи и напряжения нулевой последовательности,
которые н используются для функционирования защиты.
Для защиты линии от к. з. на землю применяются,
как правило, токовые защиты нулевой последовательно’
сти со ступенчатой характеристикой выдержки времени.
В качестве первых ступеней защит используются токо-
вые отсечки нулевой последовательности без выдержки
времени и с выдержкой времени.
Когдд токи нулевой последовательности при к. з. на землю про-
текают только с одной стороны линии, что может иметь место в ра-
диальной сети при отсутствии заземленных нейтралей у трансфор-
маторов-приемных подстанций, защита выполняется ненаправлен-
ной. В противном случае токовая защита пулевой последовательпо-
5-529
65
стн с целью повышения ее чувствительности может быть дополнена
органом направления мощности нулевой последовательности (см.
гл. 3),
Реле тока всех ступеней защиты включаются на сум-
му токов трех фаз, что обеспечивает протекание по ним
тока нулевой последовательности при однофазных и
двухфазных к. з. на землю.
В нормальном режиме, а также при междуфазных
к. з. без земли ток в реле протекать не должен, так как
/д+^в4-/с=0. Однако вследствие погрешностей ТТ, обу-
словленных токами намагничивания, в реле будет про-
текать ток небаланса
/р - 1„б = + + 0. (2-56)
А Т
Ток небаланса /Пб не равен нулю, так как токи на-
магничивания ТТ разных фаз имеют разную величину
и разные фазовые сдвиги по отношению к первичным
токам ТТ из-за неидентичности характеристик намаг-
ничивания и нагрузок ТТ различных фаз. Кроме того,
токи намагничивания неснпусоидальны и содержат
третьи гармоники, которые являются токами нулевой по-
следовательности. Значение /Нб тем больше, чем больше
первичные токи ТТ. Наибольшее значение /Нб имеет мес-
то при трехфазиом к. з.
Ток срабатывания последней (наиболее чувствитель-
ной) ступени токовой защиты нулевой последовательно-
сти необходимо отстраивать от тока небаланса. Его обыч-
но принимают равным / с,з — ^отс-^нб.тал:, Где /?отс~
= 1,3н-1,5;
= 8/Г’; (2-57)
е — погрешность ТТ (0,1); / к3)—ток трехфазного к. з.
при повреждении за пределами защищаемой зоны
(обычно за трансформаторами понижающих подстан-
ций). Токи срабатывания токовых защит пулевой после-
довательности смежных участков сети согласуются по
чувствительности.
Время срабатывания последней ступени токовой за-
щиты нулевой последовательности выбирается по сту-
пенчатому принципу. Как правило, время срабатывания
защит нулевой последовательности оказывается меньше
времени срабатывания токовых защит от междуфазных
66
Рис. 2-14 Выдержки времени токовых защит сети с включением ре-
ле иа полные фазные токи и на токи нулевой последовательности.
к. з.» так как защиты нулевой последовательности ие ре-
агируют иа к. з. за трансформаторами с соединениями
обмоток А^А и д/д (рнс. 2-14).
Чувствительность последней ступени токовой защиты
нулевой последовательности характеризуется коэффици-
ентом чувствительности
ь = (2-58)
/с,а
где 37о|Ш(П — минимальный ток нулевой последователь-
ности при к. з. на землю в конце предыдущего участка
сети. Чувствительность считается приемлемой при
^=1,5.
2-11. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ ТОКОВЫХ ЗАЩИТ
Измерительный орган токовой защиты состоит из од-
ного или нескольких реле тока, включенных по одной из
рассмотренных в предыдущем параграфе схем. К реле
тока как измерительным органам токовой защиты, по-
лучающим питание от ТТ, предъявляются следующие ос-
новные требования [1]:
коэффициент возврата реле kb для снижения тока
срабатывания максимальной токовой защиты (2-25а),
5:
67
а следовательно, повышения ее чувствительности (2-28)
должен быть близким к единице, однако при этом долж-
но обеспечиваться четкое срабатывание реле (у электро-
механических реле тока достаточное нажатие на кон-
такты) при токах, близких к /ср (для вторичных элек-
тромеханических реле косвенного действия считается
достаточным иметь 0,8<Лв<0,9);
погрешности (разброс) в /ср должны быть минималь-
ными с целью снижения £оте, а следовательно, и /с,3;
погрешности в выдержках времени (если реле тока
имеет выдержку времени), а также инерционные ошиб-
ки должны быть минимальными с целью снижения сту-
пени селективности токовых защит А/;
время срабатывания реле тока без выдержки време-
ни должно быть минимальным для обеспечения возмож-
ности выполнения быстродействующих ступеней токовых
защит;
время возврата реле в исходное положение должно
быть минимальным для-лучшей отстройки токовой за-
щиты, например, от срабатывания разрядников линии;
потребляемые цепями тока реле мощности должны
быть по возможности малыми для обеспечения работы
ТТ с необходимой для защиты точностью;
реле должны обладать термической и электродинами-
ческой стойкостью.
Электромагнитные реле тока прямого действия
встраиваются в привод (пружинный или грузовой) вы-
ключателя и при срабатывании воздействуют на защел-.
ку отключающего механизма привода. Существуют два
вида реле тока прямого действия: РТМ—-реле мгновен-
ного действия и РТВ — реле с регулируемой выдержкой
времени.
Реле-РТМ состоит (рис 2-15, а) из катушки 1 с намотанной
на нее обмоткой 2, по которой проходит ток реле /р. Катушка на-
дета на стакан 4 из немагнитного металла, в который запрессован
неподвижный стальной сердечник 5 Внутри немагнитного стакана
4 находится подвижный стальной сердечник (якорь) 6, связанный
с бойком 7, а также пружина 8 и немагнитное кольцо 10, предот-
вращающее «слипание» подвижного и неподвижного сердечников.
При /р>/с,р подвижный сердечник притягивается, преодолевая уси-
лие пружины, к неподвижному сердечнику, и боек воздействует
на защелку отключающего механизма привода выключателя.
Таким образом, РТМ представляет собой электро-
магнитную систему с поступательным движением якоря.
Перемещение якоря в любой электромагнитной системе
68
связано с изменением энергии магнитного поля IF. Маг-
нитная энергия поля РТМ в любой момент времени
IF^O.S/mL, (2-59)
где Ар г-— мгновенное значение чока реле; L — индуктив-
ность реле.
Рис. 2-15. Реле тока
прямого действия типа
РТМ (а) и силы, дей-
ствующие на его якорь
(б, а).
Электромагнитная сила, притягивающая подвижный
сердечник к неподвижному,
F3 i = — =_ 0,5/2 . — , (2-60)
dl Р'1 dl
где I — расстояние между сердечниками; -------- имеет от-
dl
рицательное значение. С учетом синусоидальности /Р
f л г j dL л dL , /2 dL>
Fs,i pSin (i)t-- =— /p-------h /pCOS 2<i)/ —— ,
dl dl dl
(2-61)
09
Таким образом, сила, действующая на якорь РТМ,
имеет две составляющие — постоянную Fq и переменную
F_ (рис. 2-15, в). Постоянная составляющая притягива-
ет якорь к неподвижному сердечнику; переменная со-
ставляющая вызывает вибрацию якоря, которая, однако,
оказывается незначительной из-за большой инерционно-
сти якоря реле РТМ. Кроме электромагнитной силы, на
якорь реле РТМ. действует также сила пружины Fn> его
вес FB, а прн его движении и сила трения Ft, направлен-
ная навстречу движению якоря.
При /p=/Ctp
= + + (2-62)
и якорь начинает движение к неподвижному сердечнику,
расстояние / при этом уменьшается, Рп в условиях сра-
батывания реле, т. е. при уменьшении I, увеличивается
линейно, a FQ возрастает более интенсивно (см. Р0С1р на
рис. 2-15, б), что связано с нелинейной зависимостью L
от I. Здесь как раз и проявляется наличие в реле поло-
жительной обратной связи, обеспечивающей наличие у
РТМ релейной характеристики.
Реле РТМ скачкообразно переходит из начального
состояния (/=/н) в конечное причем это состоя-
ние (Z=ZK при /р=/ср) оказывается весьма устойчивым,
так как имеется значительное избыточное усилие ГИзб,с,р,
притягивающее якорь реле к неподвижному сердечнику.
Чтобы реле вернулось в исходное состояние, ток реле,
очевидно, необходимо уменьшить до значения /ВтР, соот-
ветствующего Fob,p,k. Якорь реле при этом отпадает, и ре-
ле также оказывается в устойчивом состоянии, так как
при Z=/H и Ip=IBiV имеется избыточное усилие Ризб(В,р,
препятствующее срабатыванию реле.
Ток срабатывания РТМ принципиально может быть изменен
изменением числа витков обмотки реле с использованием отпаек 3
(рис. 2-15, а) или изменением начального положения якоря реле
с помощью установочного винта 9. Существуют различные модифи-
кации РТМ, в которых реализуется одна из указанных возможно-
стей или обе [7].
Время срабатывания электромагнитных реле ^с,р складывается
из времени нарастания магнитного потока до значения, при кото-
ром якорь начинает двигаться, и времени движения якоря /д. Вре-
менем нарастания магнитного потока в реле тока 6, можно прене-
бречь из-за его незначительности, так как оно определяется пара-
метрами первичной (защищаемой) цепн. Время движения якоря /д
при отсутствии специальных мероприятий по его увеличению также
оказывается относительно небольшим и составляет, в частности, для
реле РТМ не более 0,04 с.
70
К достоинствам реле прямого действия типа РТМ.
следует отнести простоту ‘его исполнения, дешевизну,
а также отсутствие необходимости иметь источник и це-
пи оперативного тока. Недостатком реле является ма-
лый коэффициент возврата (около 0,65) и значительная
потребляемая мощность в условиях срабатывания (до
50—100 В-А).
Реле тока прямого действия с регулируемой выдержкой вре-
мени РТВ выполнено аналогично РТМ, но имеет встроенный часо-
вой механизм. На ось часового механизма воздействует электро-
магнитная сила притяжения якоря к неподвижному сердечнику.
Работа реле в основном аналогична работе электромагнитного рас-
цепителя автоматического выключателя с выдержкой времени (см.
рис. 2-3, а и § 2-3). Реле имеет зависимую от тока реле выдержку
времени. При кратности тока 7Р/7с,р>3 разброс во времени сраба-
тывания реле составляет ±0,3 с. При меньших кратностях тока по-
грешность увеличивается, и при кратностях, близких к единице, до-
ходит до нескольких секунд, что ограничивает возможности исполь-
зования реле в токовой защите линий. .Реле РТВ присущи те же
достоинства и недостатки, что н реле РТМ.
Электромагнитные реле тока косвенного действия
выполняются, как правило, с поперечным движением
якоря. Наиболее распространено в настоящее время
электромагнитное реле тока с поперечным движением
якоря типа РТ-40.
Реле имеет П-образиый сердечник из шихтованной стали, на
котором размещены две обмотки. Якорь реле выполнен из ферро-
магнитной пластины Г-образной формы, закрепленной на оси. Реле
имеет два контакта, при срабатывании реле один из них размыка-
ется, а другой замыкается.
Ток срабатывания электромагнитного реле тока с поперечным
движением якоря зависит от схемы включения двух его обмоток.
При параллельном включении обмоток ток срабатывания реле в
2 раза больше, чем при их последовательном включении. Плавное
изменение тока срабатывания реле (задание уставки реле) осуще-
ствляется путем изменения затяжки противодействующей пружины.
Электромагнитные реле тока с поперечным движением якоря
выгодно отличаются от реле с поступательным движением якоря
значительно меньшим потреблением мощности. В частности, при
минимальном токе срабатывания потребление реле РТ-40 составля-
ет около 0,2 В-А. Коэффициент возврата реле составляет в сред-
нем 0,85.
Электромагнитные реле тока с поперечным движени-
ем якоря нашли применение в качестве измерительных
органов токовых защит с независимыми характеристи-
ками выдержки времени.
Индукционное реле тока по принципу действия пред-
ставляет собой, по сути дела, двухфазный асинхронный
71
/.вигашль, работающий с очень большим скольжением.
Бегущее поле в реле обеспечивается наличием двух маг-
нитных потоков, сдвинутых относительно друг друга во
времени и в пространстве. Бегущее поле «увлекаете за
собой ротор, в качестве которого в индукционном реле
тока используется, как правило, диск из ненамагпичн-
вающсгося металла.
Наибольшее распространение в настоящее время по-
лучили индукционные реле тока типа РТ-80, имеющие в*
своем составе элемент выдержки времени. На рис. 2-16
представлена принципиальная схема реле (в двух про-
екциях), векторная диаграмма магнитных потоков и вре-
мя-токовые характеристики.
Реле состоит из магнитопровода /, на котором размещена об-
мотка 2 реле, имеющая отпайки. Часть поперечного сечения полю-
сов магнитопровода экранирована короткозамкнутым витком 4
(например, медным кольцом), что позволяет получить при наличии
одного тока Л магнитные потоки Фт и Фп, сдвинутые относительно
Друг друга во времени и в пространстве. Сдвиг потоков в прост-
ранстве виден на рис. 2-16, а.
Сдвиг потоков во времени обеспечивается тем, что под дейст-
вием потока Фп в кор отказам, кнутом витке 4 наводятся э.д. с. Е«
и ток Л, отстающие по фазе от Фи на 90° (рис. 2-16, б). Поток
Фп образуется током намагничивания Лам и, практически совпада-
ющим по фазе с Фп. Поскольку поток Фп является геометрической
суммой части потока, обусловленного /р, и потока, обусловленного
Л, то Лам п = Л+^к> гДе —ток в короткозамкнутом витке, при-
веденный к числу витков обмотки реле. Следовательно,
Л= Ламп Л" (2-63)
Поток Фт обусловлен током и практически совпадает с ним
но фазе, в результате Фп отстает от Фт по фазе па угол (р.
Потоки Фр и Фц наводят в диске 3 (роторе реле) э д. с
Ei и E’lr, которые вызывают протекание в диске токов Ij и
7ц. Токи Л и /п взаимодействуют с потоками соответственно Фп
и ф1; в результате чего возникают действующие на диск силы, ре-
зультирующая которых ГВр создает вращающий момент /Ивр, стре-
мящийся повернуть диск в направлении бегущего поля, т. е. от
опережающего по фазе потока Фг к отстающему Фп. Вращающий
момент ЛЛР пропорционален произведению потоков и синуса фазо-
вого угла между ними [I]
Л1вр — &ФС Фн sin ср. (2-64)
Так как оба потока создаются током реле Л, то вращающий _
момент Л1Пр оказывается пропорциональным квадрату тока реле
лЛр = М'р‘ <2-65)
72
73
При вращении диск пересекает («режет») силовые линии маг-
нитного поля, что вызывает появление в диске э. д. с. «резания», а
следовательно, и токов «резания». Взаимодействие токов резания
с создавшими их магнитными потоками, вызывает появление сил,
результирующая которых Ерез создает тормозной момент резания,
пропорциональный частоте вращения диска
М = k — /2, (2-66)
рез рез Р v '
где а — угол поворота диска.
Диск, вращаясь, пересекает также силовые линии магнитного
поля постоянного магнита 5. В диске при этом наводятся токи.
Их взаимодействие с магнитным потоком постоянного магнита вы-
зывает появление сил, тормозящих движение диска. Результирую-
щая этих сил Fn,M создаст тормозной момент
^н.м= ^ц.м ,, (2-67)
al
Кроме того, па диск действует тормозной момент Мг, обуслов-
ленный трением оси диска в подпятниках, и момент инерции, про-
порциональный угловому ускорению диска.
При некотором значении тока реле Л1Вр превышает Л4Г и диск
начинает вращаться, В установившемся режиме
^вр — ^рез ^п.м ki йрез —
= (2 68)
частота вращения диска
rfa /р —
* dt ь _1_ ь
рез Р 1 п,м
нелинейно зависит от 7Р.
Подпятники оси диска укреплены в рамке 6, которая имеет
возможность поворачиваться вокруг своей оси, подпятники которой
укреплены в корпусе реле. Если ток реле не превышает тока сра-
батывания реле, рамка за счет усилия пружины 7 занимает поло-
жение, определяемое упором 16.
При 7р>/с,р равнодействующая трех сил: FBp, Грез, Еп.м пре-
одолевает усилия пружины 7 и рамка 6 поворачивается вокруг сво-
ей оси. При этом закрепленный на оси диска червяк 8 входит в
зацепление с зубчатым сегментом 9, который за счет вращения
диска, а следовательно, и червяка начинает подниматься. Надеж-
ность сцепления червяка и зубчатого сегмента обеспечивается на-
личием положительной обратной связи между углом поворота н
моментом вращения рамки 6. Положительная обратная связь реа-
лизуется с помощью ферромагнитной скобы 17 (рис. 2-16,а), притя-
гивающейся за счет потоков рассеяния к магпитопроводу 1. Спустя
время, равное времени срабатывания реле и определяемое некото-
рым количеством оборотов (или углом поворота а) диска, поводок
10у закрепленный па зубчатом сегменте .9, воздействуя на гягу 11> 74
74
(2-69)
переводит ферромагнитное коромысло 12 в повое положение, явля-
ющееся устойчивым, так как коромысло за счет потока рассеяния
своим правым полюсом притягивается к магиитопровоДу 1.
С коромыслом 12 связан подвижный элемент 15 контактов ре-
ле. При переходе коромысла в новое положение контакты реле пе-
реключаются, реле срабатывает.
Время срабатывания реле определяется, как уже упоминалось,
углом поворота а диска и устанавливается путем фиксации на-
чального положения зубчатого сегмента 9. На основании (2-69)
время срабатывания реле
ъ /2 , >
рез Р 1 п,м
<с,р “ ®уст
(2-70)
зависит не только от установленного угла поворота диска ауст, но
и от тока реле/р. Таким образом, индукционное реле тока имеет зави-
симую от тока характеристику выдержки времени. На рис. 2-16, в
представлен общий вид зависимости fc,p от кратности тока реле
/р//с,р при различных уставках /с,р. При больших кратностях тока
реле (больше 8) магнитопровод реле насыщается и tc,p от 1Р не
зависит. Выдержка времени /С,Р устанавливается в независимой ча-
сти характеристики, обычно при кратности тока реле Л>//с,р=Ю.
При больших кратностях тока реле ферромагнитное коромыс-
ло 12 за счет больших потоков рассеяния может подобно якорю
электромагнитного реле переходить в повое положение (перекиды-
ваться) и без воздействия поводка 10. Реле при этом срабатывает
без выдержки времени. Соответствующий ток - мгновенного сраба-
тывания реле 7<!,р,мг, точнее, его кратность /с,р,мг//с,р устанавлива-
ется фиксацией начального положения коромысла и зависит от
воздушного зазора между правым полюсом коромысла 12 и магпн-
топроводом 1. Устройство фиксации начального положения коро-
мысла, так же как и устройство фиксации начального положения
зубчатого сегмента, на рис, 2-16 не показано.
Ток срабатывания /с,р индукционного реле тока уста-
навливается изменением числа витков его обмотки.
Реле типа РТ-80 имеют различные контактные систе-
мы. Некоторые модификации этих реле, например РТ-85,
снабжены мощными переключающими контактами, без
разрыва цепи, способными коммутировать до 150 А пе-
ременного тока. Контакты характерны тем, что размы-
кающий контакт 13 (рис. 2-16, а) при срабатывании реле
разомкнется лишь после замыкания замыкающего кон-
такта 14, так как неподвижный элемент контакта 13,
имеющий пружинное исполнение, следует совместно с
подвижным элементом контакта 15 до его замыкания
с неподвижным элементом контакта 14, При дальней-
шем движении коромысла 12 подвижный 15 и неподвиж-
ный 14 элементы контакта, оставаясь замкнутыми, «ухо-
дят» от неподвижного элемента контакта 13. Используя
75
переключающие, контакты, можно выполнить схему ре-
лейной защиты, в которой источником оперативного то-
ка служат вторичные обмотки измерительных трансфор-
маторов тока защиты (см, § 2-13).
Индукционное реле тока типа РТ-80 является доста-
точно сложным, а следовательно, и относительно доро-
гостоящим аппаратом. К его недостаткам следует отне-
сти также повышенное по сравнению с электромагнит-
ным реле тока типа РТ-4О потребление мощности.
Достоинством этого реле является то, что оно может
одновременно выполнять функции измерительных орга-
нов двух ступеней токовой защиты (мгновенной и с вы-
держкой времени), а также функции логического и ис-
полнительного органов защиты. Реле обладает хорошим
коэффициентом возврата (0,8—0,85), относительно не-
большими погрешностями как по току, так и по времени
срабатывания, быстрым возвратом в начальное состоя-
ние и небольшими инерционными погрешностями.
Индукционные реле тока широко используются для
выполнения токовых защит линий напряжением до 10 кВ
включительно, а также электродвигателей. Реле удобно
использовать на переменном оперативном токе, что ха-
рактерно для выполнения релейной защиты элементов
системы электроснабжения.
Полупроводниковое реле тока. Основными достоин-
ствами полупроводниковых реле тока является меиьшее
потребление мощности от ТТ, меньшие габариты, а так-
же возможность срабатывания при меньших токах, чем
у электромеханических реле тока.
Полупроводниковые реле тока обладают хорошим коэффициен-
том возврата, малыми погрешностями по току срабатывания, малым
временем возврата. Их целесообразно применять, как правило, при
комплексном выполнении защиты на полупроводниках, так как в
этом случае оказывается возможным использовать для питания по-
лупроводниковых элементов общие блоки питания. Комплексом
полупроводниковых устройств релейной защиты и автоматики, по-
строенных на базе логических и функциональных элементов серии
«Логика Т», оборудуются КРУ 3—10 кВ [8, 9], В настоящее время
разрабатываются устройства защиты и автоматики на основе ин-
тегральных микросхем.
2-12. ЛОГИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
Логический орган защиты, получая сигналы от изме-
рительных органов, формирует управляющее воздейст-
вие иа исполнительный орган. Логический орган токо-
76
вой (в частности, трехступеичатой) защиты обеспечива-
ет отключение выключателя защищаемой линии с вы*
держкой времени соответствующей ступени.
Действие логического органа защиты может быть
описано на языке алгебры логики. Применимость аппа-
рата алгебры логики для описания работы схем релей-
ной защиты основана на том обстоятельстве, что в ре-
лейной защите, как и в алгебре логики, все перемен-
ные и функции могут принимать лишь два значения, со-
ставляющие пару противоположных понятий. Например,
цепь замкнута (проводимость цепи оо), цепь разомкнута
(проводимость цепи нуль); есть сигнал (определенное
значение напряжения, отличное от нуля), нет сигнала
(нулевое значение напряжения) и т. п. Одно значение
переменной (наличие сигнала) принято обозначать 1,
а противоположное ему значение (отсутствие сигна-
ла) — 0.
В алгебре логики существуют три элементарные логические
операции; операция логического сложения — дизъюнкция (ИЛИ),
операция логического умножения — конъюнкция (И) и операция
логического отрицания — инверсия (НЕ).
Дизъюнкция переменных х, и х2 означает, что переменная *3,
являющаяся результатом операции дизъюнкции (xs=XiVx2), при-
нимает значение 1, если переменные xL и х2 или хотя бы одна из
них имеет значение 1. Конъюнкция зет и х2 (х3—XjAx2) означает,
чтох3 равно 1 только в том случае, когда_и хь и хй имеют значение 1.
Операция инверсии переменной х( (х2 —xL) означает, что перемен-
ная х2 имеет значение 1, когда Xi = 0, и значение 0, когда х; —1.
Графическое обозначение логических элементов дизъюнкции, конъ-
юнкции и инверсии дано па рис. 2-[7, л, б, в.
Более сложные логические операции могут быть представлены
как сочетания рассмотренных выше элементарных логических опе-
раций, Например, логическая операция ЗАПРЕТ (x3=XjAx2), озна-
чающая, что сигнал х3 имеет место при наличии сигнала Xi и отсут-
ствии сигнала х2 и исчезает при появлении х2, состоит из элемен-
тарных операций: инверсии х2 и конъюнкции х( и х2. Соответственно
логическая схема, реализующая операцию ЗАПРЕТ, содержит ло-
гические элементы инверсии и конъюнкции (рис. 2-17, а).
С целью применения математического аппарата алгебры логики
для описания работы автоматических устройств при наличии за-
держек во времени появления или исчезновения сигналов было
предложено [10] использовать оператор задержки D1. Графичес-
кое обозначение элемента, реализующего задержку во времени,
представлено на рис. 2-17, д
В математических выражениях, описывающих работу схемы,
оператор D1 ставится непосредственно за обозначением соответст-
вующей переменной. Например, работа логического органа трехсту-
пенчатой токовой защиты линии (§ 2-7) может быть описана с по-
мощью выражения
у== Т} Dtl v 741 V Dmi, (2-7!)
77
где у — управляющее воздействие, формируемое логическим орга-
ном защиты; Т и D1—сигналы от измерительных органов и опера-
торы выдержек времени ступеней защиты.
Описание работы логического органа токовой отсечки с пуском
по напряжению (§ 2-6) имеет вид;
у = Т/\Н, (2-72)
где Т и Н — сигналы от измерительных органов соответственно то-
ка и напряжения.
д)
Рис. 2-17. Условные обозначения логических элементов.
Логический орган защиты в ряде случаев может быть
реализован с помощью реле измерительных органов.
В частности, логический орган токовой отсечки с пус-
ком по напряжению реализуется последовательным
включением контактов реле измерительного органа тока
и напряжения.
Необходимая выдержка времени токовой защиты
иногда реализуется также с помощью измерительных ре-
ле тока, например, при использовании реле типа РТМ
или РТ-80. Эти же реле выполняют обычно и функции
исполнительного органа защиты. Однако в общем случае
для реализации логического и исполнительного органов
защиты используются специальные реле времени, про-
межуточные н указательные реле.
Реле времени. К реле времени предъявляются сле-
дующие требования: малый разброс во времени сраба-
тывания; широкий диапазон плавного изменения уставок
времени срабатывания; малая инерционность; быстрый
возврат в исходное состояние после снятия с реле управ-
ляющего воздействия.
78
В настоящее время получили распространение как
электромеханические, так и статические реле времени.
Особенно широко в релейной защите и автоматике сис-
тем электроснабжения используются электромагнитные
реле времени с часовым механизмом типа ЭВ-200, а так-
же электромеханические реле времени с синхронным
микроэлектродвигателем типа РВМ-12, РВМ-13.
На рис. 2-18 представлены принципиальные схемы
реле времени типов ЭВ-200, РВМ-12, РВМ-13, а также
емкостного статического реле времени.
Рис. 2-18. Принципиальные схемы электромеханических реле и ем-
костного реле времени,
« — электромагнитное реле с часоным механизмом; б — реле с микродвигате-
лем; в ~ емкостное реле.
Якорь Я электромагнитного реле времени
(рис. 2-18, а) используется для пуска часового механиз-
ма ЧМ при подключении обмотки W реле к источнику
оперативного тока и для завода пружины часового ме-
ханизма 774iM при возврате реле.
При подключении обмотки реле к источнику питания якорь
реле Я втягивается в обмотку, преодолевая сопротивление пружи-
ны 77. При этом ось О часового механизма ЧМ не удерживается
более жестко связанной с пей тягой Т и под действием пружины
Йч,м поворачивается с постоянной скоростью. Через заданное вре-
мя, определяемое положением неподвижного элемента контакта ПК,
подвижный элемент контакта ПК достигает неподвижного и реле
срабатывает
При отключении реле от источника питания якорь Я под дей-
ствием пружины Ц возвращается, воздействуя на тягу Т, в исходное
состояние, контакты реле при этом размыкаются, пружина И, м
взводится и реле готово к последующему действию. Возврат рече
осуществляется быстро благодаря наличию в ЧМ храпового меха-
низма. Таким образом устроены реле типов ЭВ-217 — ЭВ-247 и
ЭВ-218 — ЭВ-248. У реле типов ЭВ-215^-ЭВ-245 пружина часового
механизма взведена при втянутом якоре реле, поэтому они начи-
нают работать при отключении обмотки роле от источника питания.
79
Электромагнитные реле времени рассчитаны на питание их от нс-
т шпика постоянного или переменного оперативного тока напряже-
нием 110 или 220 В
Реле времени с микродвигателем (рис. 2-18, б) пред-
назначено для использования в устройствах релейной
защиты на переменном оперативном токе.
Выдержка времени реле создается с помощью синхронного мик-
роэлектродвнгателя Л1Д, к оси которого через редуктор Р крепится
подвижный элемент контакта ЛК. Микродвигатель получает пита-
ние от вторичной обмотки встроенного в реле промежуточного на-
сыщающегося трансформатора тока ПТТ, в первичной обмотке ко-
торого проходит ток от измерительного трансформатора тока ТТ
защищаемого объема.
Реле начинает отсчитывать время с момента подключения
(например, контактами РТ] микродвигателя ко вторичной обмотке
ПТТ, если в первичной обмотке ПТТ проходит тОк, достаточный для
работы микроэлектродвигателя. Время срабатывания реле опреде-
ляется положением неподвижного элемента контакта НК
Выпускаемые промышленностью реле времени типов
РВМ-12 и РВМ-13 оборудованы двумя встроенными ПТТ,
к каждому нз которых может быть подключен микро-
электродвигатель реле.
Из всех статических реле ^времени наибольшее рас-
пространение получило конденсаторное реле времени,
выполненное по мостовой схеме (рис. 2-18, в).
Реле состоит из конденсатора С, диода Д, реагирующего эле-
мента РЭ и трех резисторов: R], R2 и, R3. В качестве РЭ может ис-
пользоваться, например нуль-индикатор па резисторах, аналогич-
ный нуль-индикатору в полупроводниковом реле тока. Пуск реле
осуществляется расшунтироваписм конденсатора С. Условием сра-
батывания нуль-индикатора является соотношение
R..
ur 3, (2-73)
где Un — напряжение питания реле.
Напряжение Uc изменяется во времени по экспоненциальному
закону
Uc= Ua (l — e~i/R'c\. (2-74)
В соответствии с (2-73) и (2-74) время срабатывания реле
Д’
^.р=~/?ьС1п -р' (2-75)
Hi “г Нз
является функцией емкости конденсатора С и сопротивлений рези-
сторов Rt, /?2, Rs. От напряжения питания Пп время срабатывания
реле практически не зависит.
Статическое реле времени используется в полупро-
водниковых устройствах защиты,
80
Промежуточные реле в схемах релейной защиты и
автоматики служат для размножения контактов и ком-
мутации более мощных цепей (например, катушек от-
ключення выключателей). Промежуточные реле выпол-
няются электромагнитными с поворотным движением
якоря. Существует много модификаций промежуточных
реле, отличающихся друг от друга контактными систе-
мами и обмоточными данными.
Большинство типов промежуточных реле рассчитаны
на подключение их обмоток к источнику напряжения по-
стоянного или переменного тока, однако существуют ре-
ле, предназначенные для последовательного их включе-
ния в цепь питания. Большое распространение в устрой-
ствах релейной защиты, выполненных на переменном
оперативном токе, подучили, в частности, промежуточ-
ные реле типа РП-340. Эти реле, как и реле времени
типа РВМ, имеют встроенный в их корпус промежуточ-
ный насыщающийся трансформатор тока ПТТ и могут
получать питание от измерительных ТТ защиты; они ис-
пользуются в схемах релейной защиты на переменном
оперативном токе.
Значение коэффициента возврата промежуточных ре-
ле, так же как и реле времени, не оказывает влияния на
работу защиты, поэтому никаких мер по его повышению
не предусматривается-, и оно обычно не превышает 0,5.
Указательные реле предназначены для сигнализации
срабатывания релейной защиты. Это, как правило, элек-
тромагнитные реле с поворотным движением якоря. Не-
которые модификация указательных реле предназначе-
ны для параллельного подключения их обмоток к источ-
нику питания, другие модификации — для последова-
тельного включения в цепь питания. Последние имеют
преимущественное распространение, так как позволяют
включать их последовательно в выходную цепь испол-
нительного органа защиты.
Поскольку сигнал о срабатывании защиты должен сохраняться
и после ее возврата, связанного- с отключением поврежденного
защищаемого объекта, контактная система указательных реле вы-
полнена таким образом, что после возврата реле его контакты в
исходное состояние не возвращаются. Кроме того, срабатывание
указательного реле сигнализируется механическим указателем —
флажком (блинкером), который появляется («выпадает») при сра-
батывании реле. Возврат подвижной системы указательного реле
в исходное состояние осуществляется оперативным персоналом
вручную.
6—529
8)
2-13. ИСТОЧНИКИ ОПЕРАТИВНОГО ТОКА
Основным назначением источников оперативного то-
ка является питание логических и исполнительных,
а иногда и измерительных органов устройств автомати-
ки и релейной защиты, устройств сигнализации (инфор-
мации) о положении коммутационной аппаратуры и дей-
ствии автоматических устройств, цепей дистанционного
управления коммутирующими аппаратами (выключате-
лями, отделителями и др.). К надежности источников
оперативного тока предъявляются очень жесткие требо-
вания. Источник оперативного тока должен обеспечить
питание устройств автоматики и релейной защиты в лю-
бом, в частности и в аварийном, режиме работы как си-
стемы электроснабжения в целом, так и данного кон-
кретного защищаемого или автоматизируемого элемен-
та этой системы.
Идеальным с этой точки зрения источником опера-
тивного тока является аккумуляторная бата-
рея. Автономность, т. е. ‘Независимость, этого источни-
ка от режима работы электрической системы обеспечи-
вает широкое использование аккумуляторных батарей в
качестве источника оперативного тока на электростан-
циях и крупных подстанциях.
Аккумуляторная батарея является централизован-
ным источником оперативного тока, т. е. источником, пи-
тающим всех потребителей оперативного тока, что тре-
бует, естественно, наличия разветвленной сети постоян-
ного тока, а следовательно, принципиально снижает
надежность электроснабжения потребителей оперативно-
го тока. Кроме того, аккумуляторная батарея является
дорогостоящим устройством, а ее эксплуатация требует
специального отапливаемого помещения, оборудованно-
го вытяжной вентиляцией, и наличия специального об-
служивающего персонала. Поэтому аккумуляторные ба-
тареи используются только на крупных энергетических
объектах (электростанциях, подстанциях), где сосредо-
точено большое количество устройств автоматики и ре-
лейной защиты и имеется специальная служба релейной
защиты и автоматики.
В системах электроснабжения аккумуляторные бата-
реи находят применение на заводских ТЭЦ или на круп-
ных понизительных подстанциях, имеющих оперативный
и специальный обслуживающий персонал.
82
На остальных объектах системы электроснабжения в
качестве источников оперативного тока используются
измерительные трансформаторы тока
или напряжения, а также трансформато-
ры собственных нужд. Все эти источники как
источники оперативного тока имеют один существенный
недостаток — их режим работы зависит от режима ра-
боты тех первичных элементов системы электроснабже-
ния, от которых они получают питание, Однако эти ис-
точники оперативного тока имеют н ряд преимуществ по
сравнению с аккумуляторной батареей. Во-первых, они
дешевы и свободны от недостатков, присущих аккумуля-
торной батарее. Во-вторых, используя измерительные
трансформаторы, особенно трансформаторы тока,
можно иметь индивидуальные для каждого устрой-
ства релейной защиты источники оперативного тока,
что до минимума снижает протяженность цепей опера-
тивного тока и повышает надежность релейной за-
щиты.
Организация питания устройств релейной защиты и
автоматики оперативным током с использованием упо-
мянутых выше источников может быть различной в за-
висимости от типа и назначения питаемых устройств.
Необходимо лишь обеспечить наличие оперативного то-
ка в условиях, когда устройства релейной защиты и ав-
томатики должны действовать. В частности, примени-
тельно к токовой защите лиинн оперативное питание
должно быть обеспечено при включенном выключателе
линии при наличии в линии тока, превышающего ток сра-
батывания самой чувствительной ступени защиты. Ис-
пользование трансформатора напряжения в качестве ис-
точника оперативного тока здесь, очевидно, оказывается
невозможным, так как прн близких к. з. напряжение на
защищаемой линии, так же как и на шинах подстанции,
может существенно снижаться. Использование транс-
форматоров тока защищаемой линии в качестве индиви-
дуального источника оперативного тока для токовой за-
щиты оказывается принципиально возможным, так как
ток линии в условиях, когда защита должна действо-
вать, превышает максимальный рабочий ток линии. Та-
кая возможность широко используется в схемах релей-
ной защиты с дешунтированием катушек отключения
выключателя (см, § 2-14). Оперативный ток в этом слу-
чае является переменным, и при проектировании защи-
6* 83
ты необходимо для выполнения логического и исполни-
тельного органов защиты использовать соответствующие
реле.
Другим распространенным способом организации
оперативного питания устройств релейной защиты и ав-
томатики является раздельное или совместное использо-
вание блоков питания токовых (БПТ) н напряжения
(БПН). Принципиальная упрощенная схема блока пи-
тания изображена на рис.
2-19, а. Он представляет со-
бой выпрямитель В, включа-
емый через промежуточный
трансформатор ПТ во вто-
ричную цепь трансформато-
ра тока БПТ или во вторич-
ную обмотку трансформато-
ра напряжения БПН. Вы-
прямленное напряжение,
сглаживаемое конденсато-
ром С, является напряжени-
ем оперативного тока. При
необходимости иметь напря-
жение оперативного тока
как при отсутствии, тока в
линии (холостой ход), так и
Рис. 2-19. Источники зыпрям- в слУчае отсутствия напря-
денного оперативного тока. жения на подстанции (pe-
er — принципиальная схема БП; б— ЖНМ К. 3,) БПН И БПТ ИС“
комбинированный БП. ПОЛЬЗУЮТСЯ СОВМеСТНО (тЗк
называемый комбинированный блок питания).
В электрической сети напряжением 35 кВ и выше,
питающей, как правило, подстанции со схемой соедине-
ния трансформаторов а/Д, распространенной является
схема комбинированного блока питания КБП, изобра-
жённая на рис. 2-19,6. Схема обеспечивает наличие вы-
прямленного напряжения при любом виде к. з., в том
числе и при к. з, за трансформатором.
Блоки питания применяются обычно для организации
группового источника оперативного тока, предназначен-
ного для питания группы устройств релейной защиты и
автоматики, установленных на одном присоединении,
например одной линии. В настоящее время промышлен-
ностью выпускаются блоки питания с выходной мощно-
стью 100 и 1000 Вт. Мощность блоков питания оказыва-
84
ется недостаточной для питания электромагнитов вклю-
чения выключателей с «тяжелым» (электромагнитным)
приводом. Для этих целей используется специальный
мощный выпрямитель, получающий питание от транс-
форматора собственных нужд подстанции.
При отключении подстанции от источников питания
блоки питания, так же как и трансформаторы собствен-
ных нужд, измерительные трансформаторы тока и на-
пряжения, не могут обеспечить наличия оперативного
тока. Если устройства автоматики подстанции при обес-
точенном ее состоянии должны производить какие-то дей-
ствия, например отключать отделителй поврежденного
оборудования, на подстанции должен иметься запас
энергии, который может быть создан путем предвари-
тельного заряда конденсаторных батарей, Предвари-
тельно заряженные конденсаторные батареи как источ-
ник оперативного тока обладают таким образом неко-
торой автономностью, Кроме того, конденсаторные ба-
тареи обладают и рядом других достоинств. Они просты
в исполнении и надежны, потребляют в режиме заряда
малую мощность (десятки ватт), а в режиме разряда
способны выдавать большую мощность, достаточную
для питания катушек отключения выключателей с «тя-
желым» приводом.
Принципиальная схема использования предваритель-
но заряженных конденсаторных батарей Cl, С2 в каче-
стве источника оперативного тока изображена иа
рис. 2-20. Конденсаторные батареи заряжаются от спе-
циального маломощного зарядного устройства УЗ, кото-
рое может получать питание, например, от вторичных
цепей измерительного трансформатора напряжения TH.
Устройство УЗ состоит из промежуточного повышающе-
го трансформатора ПТ, полупроводникового вентиля В
и резистора значение сопротивления которого опреде-
ляет постоянную времени заряда конденсаторных бата-
рей Cl, С2. Резистор R ограничивает также ток в слу-
чае пробоя вентиля В и разделительных вентилей В/
и В2.
Параллельно конденсаторным батареям подключа-
ются" элементы, которые должны получать оперативный
ток. На рис. 2-20 — это катушки отключения KOw, КО2в
выключателей IB, 2В. При срабатывании релейной за-
щиты одной из линий, например первой, замыкается кон-
такт 1Р и конденсаторная батарея С/ разряжается на
85
KOib, что приводит к отключению выключателя 1В по-
вредившейся линии. Разделительные вентили предотвра-
щают при этом разряд остальных конденсаторных бата-
рей на КО[в. После возврата защиты линии 1 (размы-
кания контакта 1Р) конденсаторная батарея С1 снова
Рис. 2-20. Использование пред-
варитсльно заряженных кон-
денсаторных батарей.
заряжается.
Поскольку запасенная в кон-
денсаторной батарее емкостью С
энергия
№
то для уменьшения емкости, а сле-
довательно, и габаритов батареи
желательно заряжать конденсато-
ры до большего напряжения. Су-
ществуют зарядные устройства
(например, УЗ-401), обеспечиваю-
щие заряд конденсаторной батареи
до 400 В.
Основным недостатком
конденсаторной батареи кар
источника оперативного то
ка является импульсность ее
действия, что "нс позволяет
например, использовать ее для питания реле времени
максимальной токовой защиты н требует одновременно-
го использования других источников оперативного тока
в частности блоков питания.
В настоящее время промышленностью выпускаются блоки пи
тания БПЗ-401 и БПЗ-402, которые могут быть использованы так-
же для заряда конденсаторных батарей. Блок БПЗ-401 предназпа
чеп для подключения к трансформатору напряжения или собствен
них нужд, а БПЗ-402 — к трансформатору тока.
Для шпация цепей дистанционного управление
выключателями на подстанциях без аккумуляторные
батарей в качестве источника оперативного тока ис
пользуются, как правило, трансформаторы собственные
нужд.
2-14. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИИ
Принципиальные схемы релейной защиты прн ис
пользовании в качестве источника оперативного токг
аккумуляторной батареи практически не отличаются 01
аналогичных схем при использовании блоков питания
86
На рис, 2-21, а приведена совмещенная, а на рнс.
2-21,6—г разнесенная схема трехступенчатой токовой
защиты линии. На совмещенной схеме цепи перемен'
ного тока, оперативного тока н цепи сигнализации изо-
бражаются совместно, а элементы реле (обмотка и
контакты) располагаются рядом. На разнесенной схе-
ме цепи переменного, оперативного токов и сигнализа-
Рис. 2-21. Принципиальные совмещенная (а) и разнесенные (б, в, г)
схемы трехступенчатой токовой защиты с использованием источни-
ка постоянного оперативного тока.
87
ции (см. соответственно рис. 2-21, б, в и г) изобража-
ются раздельно, а элементы реле разнесены по соот-
ветствующим схемам. Большее распространение получи-
ли разнесенные схемы защиты.
Защита по рис. 2-21 имеет три измерительных токо-
вых органа, каждый из которых состоит из двух реле
тока типа РТ-40, Реле тока 1РТ н 2РТ составляют из-
мерительный орган первой ступени защиты (токовой
отсечки без выдержки времени), реле ЗРТ и 4РТ —
взмерительный орган второй ступени защиты (отсечка
с выдержкой времени), а реле 5РТ, 6РТ — измеритель-
ный орган третьей ступени защиты (максимальная то-
ковая защита). Реле тока измерительных органов всех
ступеней защит включены на полные фазные токи
(вторичные) защищаемой линии (по схеме неполной
звезды).
В состав каждой ступени защиты входят также ло-
гические реле. К первой ступени защиты относятся
промежуточное реле 7РП, имеющее замыкающий кон-
такт с небольшой выдержкой времени па замыкание, и
указательное реле 8РУ.~ Задержка на замыкание кон-
тактов 7РП (0,08—0,1 с ) необходима для отстройки
первой ступени защиты от пробоя трубчатых разряд-
ников, защищающих линию от перенапряжений, так как
пробой трубчатых разрядников равнозначен к. з. на
линии, которое исчезает с гашением дуги в разрядни-
ках.
Ко второй и третьей ступеням защиты относятся реле
времени и указательные реле соответственно 9РВ и
ЮРУ, 11РВ и ЮРУ.
Реле 7РП, 9РВ и 11РВ создают необходимые вы-
держки времени ступеней защиты (все ступени защи-
ты имеют независимые от тока к. з. выдержки времени)
и замыкают своими контактами цепь катушкв отклю-
чения КО выключателя линии. Указательные реле сиг-
нализируют о срабатывании защит.
Вспомогательный контакт выключателя В в цепи
КО размыкает эту цепь при отключении выключателя,
предотвращая тем самым обгорание контактов реле
исполнительного органа защиты, обусловленного разры-
вом тока в'цепи большой индуктивности катушки от-
ключения выключателя.
На рис. 2-22 изображена схема максимальной токо-
вой защиты линии с зависимой, а на рис. 2-23 с пеза-
88
еисимой характеристикой выдержки времени. Защиты
выполнены с дешунтированием катушки отключения
выключателя.
Максимальная токовая защита с зависимой- от тока к, з. вы-
держкой времени (рис, 2-22) выполнена па индукционных реле то-
ка типа РТ-85, подключенных к ТТ защиты по схеме неполной
звезды. В нормальном режиме *рабо-ты линии вторичные токи ТТ
проходят в обмотках реле 1РТ и 2РТ. Катушки отключения /ДО
и 2КО при этом от вторичных обмоток ТТ отключены и зашунти-
ровапы переключающими контактами реле. При междуфазиом
к. з. независимо от комбинации замкнувшихся фаз хотя бы одно
реле защиты срабатывает и своим . переключающим контактом
включает в цепь вторичной обмотки ТТ катушку отключения вы-
ключателя, т е. расшунтирует ее. Через катушку отключения про-
ходит вторичный ток к. з. и выключатель отключается. Защита
возвращается в исходное состояние.
При использовании реле типа РТ-80 специальных реле време-
ни, как известно, не требуется. Не требуется также и специальных
Рис 2-22 Принципиальная схема
токовой защиты с ограниченно
згтвисцмой характеристикой вы-
держки времени с дешунтирова-
нием катушек отключения выклю-
чателя,
Рис. 2-23 Принципиальная разнесенная схема максимальной токо-
вой защиты- с независимой характеристикой выдержки времени с
дешун гированием катушек отключения выключателя.
89
указательных реле, так как реле типа РТ-80 снабжены механичес-
кими указателями их срабатывания.
Максимальная гоконая защита с независимой характеристикой
выдержки времени, выполненная по схеме с дешуптированием ка-
тушек отключения выключателя (рис. 2-23), реализуется на реле
тока типа РТ-40, реле времени типа РВМ и промежуточных реле
тина РП-340.
При срабатывании реле тока (одного или обоих) микроэлектро-
двигатель реле времени получает питание от одного из встроенных
в него промежуточных трансформаторов. Первичная обмотка од-
ного из промежуточных трансформаторов реле времени включена
в цепь вторичной обмотки ТТл (см. ЗТВА на рис. 2-23, а), другого
(ЗТВс)—в цепь вторичной обмотки ТТС. При любом междуфаз-
ном к. з. вторичный ток к. з. проходит хотя бы через одно реле
тока измерительного органа защиты (1РТ, 2РТ) и через первичную
обмотку хотя бы одного промежуточного трансформатора ЗРВ.
Во вторичной обмотке этого трансформатора (см. ЗТВА нлнЗТВс
в цепях ЗРВ па рис. 2-23, б) при этом наводится значительная
э. д с. Сработавшее реле тока своим замыкающим контактом
IPTi или 2РТ подключает микроэлектродвигатель ЗРВ ко вто-
ричной обмотке соответствующего промежуточного трансфор-
матора ЗТВЛ или ЗТВс. Реле времени начинает отсчитывать
время.
Прн срабатывании обоих реле тока микроэлектродвигатель
ЗРВ должен получать питание только от одного промежуточного
трансформатора, так как при к. з. между фазами Л и С э, д. с.
вторичных обмоток ЗТВА и ЗТВС сдвинуты относительно друг дру-
га на 180 эл. град и питание ЗРВ не обеспечивается. Запрет пи-
тания ЗРВ от ЗТВс при срабатывании обоих реле тока реализу-
ется в схеме защиты на рис, 2-23,6 с помощью размыкающего
контакта 1рТ2.
Замыкание контакта ЗРВ приводит к срабатыванию промежу-
точного реле (5РП или 6РП па рис. 2-23, в), ток которого в пер-
вичной обмотке промежуточного трансформатора превышает ток
срабатывания реле.
В зависимости от комбинации замкнувшихся фаз срабатывают
одно или оба промежуточных реле (5РП, 6РП). Сработавшее про-
межуточное реле своим переключающим контактом (ЗРГЦ или
6РП\) дешунтирует соответствующую катушку отключения выклю-
чателя (1КО или 2КО).
При включении катушки отключения выключателя во вторич-
ную цепь ТТ нагрузка ТТ возрастает, й следовательно, возрастают
его погрешности, что приводит к снижению вторичного тока ТТ,
При токе защищаемой линии, близком к току срабатывания за-
щиты, снижение вторичного тока ТТ при дешунтировании КО
может привести к возврату реле тока, а следовательно, к возврату
реле времени и промежуточных реле, т. е. к отказу в действии за-
щиты С целью предотвращения этого нежелательного явления
сработавшее промежуточное реле самоудерживается своим замы-
кающим контактом (см. 5РП2 и 6РП2 на рнс. 2-23, а). При этом
возврата РП при дешунтировании КО не происходит, так как ко-
эффициент возврата РП значительно ниже коэффициента возврата
реле тока и выключатель защищаемой линии отключается,
Указательное реле 4РУ, включенное последовательно в цепь
питания электромагнитов 5РП и 6РП промежуточных реле, ^игиа-
90
лизирует о срабатывании защиты. В качестве источника оператив-
ного тока, питающего цепи сигнализации рис. 2-23, г, используется
трансформатор собственных нужд подстанции или измерительный
трансформатор напряжения.
Защита с дешунтированием катушек отключения выключателя
может быть реализована лишь в том случае, если выключатель
защищаемого объекта имеет «легкий» (например, пружинный) при-
вод, В таком приводе, кроме электромагнитов включения и отклю-
чения выключателя, используемых в схеме дистанционного управ-
ления выключателя, может быть установлено также до пяти реле
прямого действия. В качестве катушек отключения выключателя,
дешунтируемьГх при срабатывании защиты, используются, как пра-
вило, реле тока прямого действия типа РТМ.
Применение защиты, выполненной по схеме с де-
шунтнрованием катушек отключения выключателей,
оказывается возможным только при наличии достаточ-
ной мощности, отдаваемой трансформаторами тока в
различных режимах работы защищаемой линии [И].
Поэтому такие схемы защиты получили широкое рас-
пространение в сетях напряжением до 35 кВ при ис-
пользовании выключателей с пружинными приводами.
Другим недостатком схемы, который также ограничи-
вает область ее применения, является необходимость
коммутировать контактами реле большие вторичные
токи к. з. Переключающие контакты выпускаемых про-
мышленностью специальных реле способны коммутиро-
вать ток лишь до 150 Л. Однако прорабатываются
возможности выполнения схем с дешунтированием ка-
тушек отключения выключателя без применения реле
с мощными переключающими контактами [12] с ис-
пользованием в цепях дешунтирования тиристоров,
мощных трансформаторов или магнитных усилителей,
что позволит использовать принцип дешунтнрования
даже для полупроводниковых бесконтактных защит.
На рис. 2-24 в качестве примера представлены раз-
несенные принципиальные схемы двухступенчатой то-
ковой защиты с использованием в качестве источника
оперативного тока предварительно заряженных кон-
денсаторных батарей. Как уже отмечалось, предвари-
тельно заряженные конденсаторные батареи в связи с
нмпульсностью их действия не могут являться единст-
венным источником оперативного тока. Они питают, как
правило, только исполнительный орган защиты. Для
питания логического органа защиты может использо-
ваться любой другой источник оперативного тока (на-
пример, блоки питания, измерительные ТТ и др.).
91
В рассматриваемом примере для питания реле времени
5PI3 и промежуточного реле 6РП используются изме-
рительные ТТ защиты.
+ В С
Рис, 2-24. Принципиальная схема двухступенчатой токовой защиты
с использованием предварительно заряженной конденсаторной ба-
тареи.
Первичные обмотки промежуточных трансформаторов реле
времени 5ТВА и 5ТВС включены, как и реле тока 1РТ, ЗРТ и 2РТ,
4РТ измерительных органов первой (отсечка без выдержки вре-
мени) и второй (максимальная токовая защита) ступеней защиты,
в цепь вторичных обмоток измерительных ТТ, установленных в
фазах Д (ТТл) и-С (ТТС) защищаемой линии. Первичная обмотка
6ТП промежуточного реле 6РП включена на разность вторичных
токов ТТа п ТТс, что позволяет сэкономить одно промежуточное
реле, так как при любом междуфазиом к. з. на линии обмотка
6ТП обтекается током.
92
При срабатывании первой ступени -(замыкаются контакты ре-
ле 6РП) или второй ступени защиты (замыкается контакт 5РВ)
катушка отключения выключателя КО подключается к предвари-
тельно заряженной конденсаторной батарее С и выключатель от-
ключается. Следует отметить, что в схеме с предварительно заря-
женной конденсаторной батареей вспомогательный контакт выклю-
чателя, защищающий контакты реле исполнительного органа за-
щиты от обгорания, не требуется, так как к моменту отключения
выключателя конденсаторная батарея оказывается практически
полностью разряженной и ток в цепи КО прекращается
Указательные реле 7РУ я-8РУ, включенные в цепь КО, сигна-
лизируют о срабатывании ступеней защиты.
Наиболее простыми являются схемы токовых защит
с реле прямого действия, так как источник оператив-
ного тока в этом случае не требуется.
2-15. ОЦЕНКА ТОКОВЫХ ЗАЩИТ ЛИНИЙ
Токовые защиты линий просты по исполнению, на-
дежны, дешевы, удобны в эксплуатации и поэтому
нашли широкое распространение в питающих и распре-
делительных сетях систем электроснабжения. Линии
распределительных сетей напряжением до 1000 В за-
щищаются предохранителями или автоматическими
выключателями.
Линии радиальной электрической сети с одним ис-
точником питания напряжением до 10 кВ включитель-
но в большинстве случаев защищаются от междуфаз-
иых к. з. токовыми защитами, выполненными на реле.
Токовая защита линий от междуфазных к. з. находит
также применение и в электрической сети напряжением
35 кВ.
В электрической сети напряжением выше 1000 В
желательно использование трехступенчатых токовых
защит, так как отключение поврежденной линии происхо-
дит при этом достаточно быстро. Однако в большинстве
случаев реализация трех- илн двухступенчатой токовой
защиты оказывается невозможной из-за недостаточной
чувствительности быстродействующих ступеней (отсе-
чек). Максимальная токовая защита в большинстве
случаев удовлетворяет условиям чувствительности, од-
нако отключает поврежденную линию, особенно на го-
ловном участке сети, с большой выдержкой времени,
что нежелательно как с точки зрения термической стой-
кости кабелей линий, так и с точки зрения потребите-
лей электрической энергии, так как утяжеляет условия
самозапуска электрических двигателей.
93
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ
3-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Рис, З-L Действие органа направ-
ления мощности в сети с двухсто-
ронним питанием.
а — схема сети; б — векторные диа-
граммы, поясняющие выбор выдер жек
времени направленной защиты.
Токовыми направленными защитами
называются защиты, реагирующие на значение тока и
направление (знак) мощности к. з. в месте их включе-
ния.
Защита приходит в
действие при соблюдении
двух условий: ток превы-
шает заданное значение
(ток срабатывания); знак
мощности к. з. соответст-
вует к. з. в защищаемом
направлении.
Защита относится к
классу защит с относи-
тельной селективностью.
Орган, определяющий
знак мощности к. з., на-
зывается реле направле-
ния мощности.
Кроме измерительного
органа (реле тока), орга-
на направления мощности
защита, как правило,
имеет орган выдержки времени.
Направление мощности при к.з. характеризуется
углами между токами к.з. и остаточными напряжения-
ми в месте установки защиты. На рис. 3-1,а условное
положительное направление тока для защит (показано
пунктиром) задается от шин в сторону защищаемой
линии. При к.з. в точке /С (рнс. 3-1, а) ток /к2, подво-
димый к реле направления мощности защиты линии
Л2, установленной на подстанции Б, будет отставать
от подводимого к реле напряжения йв на угол
(рис, 3-1,6). При этом реле, мощность на входе кото-
рого SG2 будет положительной
5д2 L Фк. . (3*1)
замкнет контакты, разрешая защите действовать на от-
94
ключение выключателя. Аналогично будет действовать
и реле направления мощности защиты Л1 на подстан-
ции А, мощность на входе которого также будет положи-
тельной (Sai = {7a/ki-^<Pk).
Реле направления мощности защиты Л1 на подстан-
ции Б в рассматриваемом случае не будет замыкать
свои контакты, запрещая действие защиты, так как
знак мощности на его входе имеет отрицательное зна-
чение S — UlKi -<г180°—<рк(ток /къ подтекающий к ши-
нам подстанции А, направлен встречно заданному ус-
ловному положительному направлению).
Таким образом, реле направления мощности, реаги-
рующее на сдвиг фаз между подводимыми к нему U
и /к, при правильном их сочетании определяет направ-
ление мощности к, з. в защищаемой линии.
Векторные диаграммы токов и напряжений, приведенные на
рис. 3-1,6, относятся к реле направления мощности защиты от
междуфазных к. з., включенному па полные токи и напряжения.
В схемах направленных токовых защит нулевой последователь-
ности реле направления мощности включается на ток и напряже-
ние нулевой последовательности: токовая обмотка—в нулевой
провод трансформаторов тока схемы полной звезды, а обмотка на-
пряжения— на обмотки трансформаторов напряжения, соединен-
ные в разомкнутый треугольник (фильтр напряжения пулевой по-
следовательности).
Иногда реле направления мощности в схемах направлевшлх
защит от несимметричных к. з. включают на фильтры тока и на-
пряжения обратной последовательности
3-2. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА
В сети с двухсторонним питанием (рис. 3-2) с по-
мощью максимальной токовой защиты невозможно
обеспечить селективную ликвидацию повреждения, На-
пример, прн к. з. в точке /С/ (рис. 3-2) защита 2 долж-
на иметь меньшую выдержку времени, чем защита 3, а
при к. з. в точке К2 выдержка времени защиты 2 дол-
жна быть больше выдержки времени защиты 3. Одно-
временно удовлетворить оба этих условия невозможно.
Дополнение токовых защит реле направления мощности
позволяет сделать их селективными. Для этого случая
при осуществлении защиты па электромеханических
реле последовательно с контактами реле тока (РТ)
защиты необходимо включить контакты реле направле-
ния мощности (РМ), срабатывающего только при на-
правлении тока (мощности) от шин в линию.
95
Наличие РМ в схемах защит сети с двухсторонним
питанием разделяет защиты на две группы: /, 3, 5 и
2. < 6 (рис. 3-2).
Выдержки времени двух групп защит выбира-
ются по встречно-ступенчатому принципу, что обеспечи-
вает селективное отключение поврежденной линии. Прн
Рис. 3-2. Защищаемая сеть и характеристики выдержки времени
максимальных токовых направленных защит.
этом учитываются также выдержки времени защит ли-
ний 7, 8, 9, 19, присоединенных к шинам подстанций
А, Б, В, Г.
В кольцевой сети с одним" источником питания
время срабатывания защит приемных сторон 2 и 5 го-
ловных участков сети (рис. 3-3) отстраивается только
от времени действия трубчатых разрядников, установ-
ленных на линиях, а поэтому относительно мало (око-
ло 0,1 с).
Анализ выдержек времени защит сстн с двухсторон-
ним питанием показывает, что левее защиты сети должны
быть направленными. На одном из концов линий, где
зггцита имеет большую выдержку времени (по сравие-
96
иию с защитой противоположного конца), она может
быть выполнена ненаправленной. Ненаправленными
могут быть выполнены также защиты обоих концов
линий, если они имеют одинаковые выдержки времени.
Ток срабатывания токовых направленных
щит выбирается, исходя из следующих условий:
1. Отстройка от
ходных значений
после отключения
него к. з.
пере1
токов
внеш-
за-
Z ____. ОТС 3 /
*с,з— 1 ра.6,max-
Kq
(3-2)
ПОД /раб,max ЗДеСЬ ПО-
нимается максимальное
значение рабочего тока в
направлении действия за-
щиты. Ток /раб.тах Имеет
место, очевидно, при от-
ключении одного из уча-
стков сети.
2. Отстройка от токов нагрузки, т. е.
I ___&ОТС г
1нагр*
«в
Рис. 3-3. Схема кольцевой
с одним источником питания.
сети
С,8 ---
(3-3)
где /нагр — ток, проходящий в направлении, противопо-
ложном направлению действия защиты в нормальном
режиме работы сети.
Принципиально можно было бы не учитывать токи /нагр, опре-
деляемые мощностью, направленной к шипам, например, для за-
щит 2 и 5, установленных на приемных копнах головных участков
кольцевой сети (рис. 3-3). Однако здесь принимается во внимание
возможность нарушения цепей напряжения между измерительным
трансформатором напряжения и реле направления мощности
(н частности, при перегорании части' защитных предохранителей),
когда реле направления мощности может ложно сработать при
направлении мощности нагрузки к шинам
3. Отстройка от переходных токов после успешного
АПВ повредившейся линии:
/ k”I л v. (3-4)
с»з отс з работах v 7
4. Согласование чувствительности одинаково направ-
ленных защит смежных участков сети. В частности,
7—529
97
для защит сети, изображенной на рис, 3-3, это условие
имеет вид:
/с ,з1 Jс, зЗ I с ,s5i I с ,з6 > ^с,з4 К, з2- (3'5)
Выполнение условия (3-5) применительно к направ-
ленным максимальным токовым защитам проверяется
при каскадном их действии в кольцевой сети (см. §3-3).
3-3. ЗОНА КАСКАДНОГО ДЕЙСТВИЯ И МЕРТВАЯ ЗОНА ЗАЩИТЫ
При к. з. в кольцевой сети с одним источником пи-
тания вблизи шип противоположной подстанции (на-
пример, в точке КЗ на рис. 3-3) ток к. з., проходящий
через место установки защиты 5, может оказаться не-
достаточным для ее срабатывания. После отключения
линии с противоположного конца защитой 6 ток в месте
установки защиты 5 увеличивается, что приводит к ее
срабатыванию и отключению поврежденной линии. Не-
возможность срабатывания защиты вследствие ее не-
достаточной чувствительности при наличии к. з. иа за-
щищаемой линии до момента отключения линии с про-
тивоположного конца носит название каскадного
действия защиты. Золой каскадного действия назы-
вается доля длины защищаемой линии, прн к. з. в ко-
торой защита не действует до отключения линии с про-
тивоположного конца.
При к.з. в зоне каскадного действия защиты 5, ес-
ли не будет выполнено условие (3-5), до отключения
выключателя 6 может излишне сработать защита 3
смежного участка.
При трехфазпом к.з. вблизи места установки направ-
ленной защиты напряжение, подводимое к реле направ-
ления мощности, может оказаться настолько малым,
что реле направления мощности РМ не сработает, а
следовательно, защита откажет в действии. Доля дли-
ны защищаемой линии, при к.з. в которой защита не
срабатывает из-за недостаточного напряжения, подводи-
мого к реле направления мощности, носит название
мертвой зоны.
Таким образом, каскадное действие защит связано с недоста-
точной чувствительностью токового органа, а отказ в пределах
мертвой зоны — с конечной чувствительностью (по напряжению)
органа направления мощности, Мертвая зона возникает лишь при
трехфазных к. з, (см. § 3-8) вблизи места установки защиты при
включении органа направления мощности на полные напряжения.
98
3-4. ПЕРВЫЕ И ВТОРЫЕ СТУПЕНИ ТОКОВЫХ НАПРАВЛЕННЫХ
ЗАЩИТ
Токовые направленные защиты, как и ненаправлен-
ные (см. § 2-5), выполняются обычно с несколькими
ступенями. В качестве резервных (третьих) ступеней
направленных защит при-
меняются рассмотренные
ранее максимальные на-
правленные токовые за-
щиты. Первые и вторые
ступени представляют со-
бой токовые отсечки (см.
§ 2-5) без выдержки и с
выдержкой времени,
включаемые на полные
токи фаз н дополненные
органом направления
мощности.
Рассмотрим., как вы-
бираются токи срабаты-
вания отсечек, устанавли-
ваемых на линии АБ
(рис. 3-4) с двухсторон-
ним питанием.
Рис. 3-4. К расчету токовых на-
правленных отсечек без выдерж-
ки времени.
Если бы обе отсечки были ненаправленными, то они
имели бы одинаковые значения токов срабатывания
Р , определяемые отстройкой от наибольшего из двух
значений ТОКОВ внешних К.З.: /к, ви,тах, А и 7К, вп,'тех, S?
В результате отсечка со стороны А защищала бы дли-
ну 1а линии, а отсечка со стороны Б вообще не имела
бы защищаемой зоны, поскольку (рнс. 3-4) ее ток сра- ,
батывания 1с,3 в рассматриваемом случае превышает
реально возможные значения тока, протекающего через
место установки защиты Б. Если в рассматриваемом
случае /к, вн.тх, А<1к, вн; тах,Б, ТО выполнение отсечки
Б направленной позволяет при выборе ее тока сраба-
тывания /c131s отстраивать защиту только от одного
из значений (/к, вн, max,б) тока внешнего к. з. Выпол-
нение направленной отсечки А нецелесообразно, по-
скольку ее ток срабатывания от этого не изменится
(отстройка по-прежнему будет производиться от
вн» А ). Кроме того, отсечку целесообразно иметь
99
ненаправленной, поскольку она не имеет мертвой зоны
при близких трехфазных к. з.
Определение тока срабатывания, выдержки времени
и проверка чувствительности для вторых ступеней (на-
правленных токовых отсечек с выдержкой времени)
производится, как и для аналогичных ненаправленных -
отсечек (§ 2-5), с учетом соображений, рассмотренных
для направленной первой ступени токовой защиты.
Следует иметь также в виду, что при наличии не-
скольких источников питания согласование токов сра-
батывания вторых ступеней смежных участков должно
производиться с учетом коэффициента токораспределе-
ния kT:
/с.з.яащ > ’ (3-5а)
Д-р
где /оз,защ> Л» з™ токи срабатывания рассматриваемой
защиты и защиты поврежденного (смежного) участка
соответственно; — коэффициент токораспределення,
равный
т 4 ’
где 7к,защ, /к — токи к.з. в рассматриваемой защите и
в защите поврежденного (смежного) участка соответ-
ственно.
Коэффициент токораспределення должен также учи-
тываться прн отстройке защит от к.з. за трансформа-
торами.
Сочетание токовых направленных отсечек без вы-
держки времени и с выдержкой времени с максималь-
ной токовой направленной защитой позволяет созда-
вать токовые направленные защиты со ступенчатой
характеристикой выдержки времени.
3-5. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ
МОЩНОСТИ
К реле направления мощности предъявляются сле-
дующие требования:
для уменьшения мертвой зоны напряжение, при ко-
тором реле еще может срабатывать, должно быть воз-
можно меньшим;
100
для обеспечения селективности защиты реле должно
срабатывать при всех фазовых сдвигах фр между напря-
жением н током, подводимым к реле, соответствующих
направлению мощности к.з. от шин в линию, и не сра-
батывать прн противоположном направлении мощности;
реле должно быть быстродействующим;
должен отсутствовать самоход реле (под самоходом
понимается загрубление реле или его срабатывание
под влиянием только одной величины (напряжения или
тока), подводимой к реле; наличие самохода может
привести к увеличению мертвой зоны или к ложному
срабатыванию защиты.
3-6. ИНДУКЦИОННОЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
Принцип выполнения реле направления мощности
рассмотрим на примере распространенного реле, реали-
зованного на основе двухпоточной индукционной снсте-
Рис. 3-5. Векторная диаграмма (а) и характеристика срабатыва-
ния (б) реле направления мощности.
мы с цилиндрическим ротором — барабаном, с осью
которого связана подвижная часть контакта. Реле име-
ет 'обмотки ют и расположенные на соответствующих
нарах полюсов. В обмотке ют проходит ток /р, а в а’п —
ток /н, создаваемый подведенным к реле напряжением
(7Р. В цепи обмотки напряжения включено балластное
сопротивление /б.
101
Вращающий момент ЛГвр, создаваемый индукцион-
ной системой и действующий на барабан,
Л1вр = k' Ф, Фл sin {Фг ЛФН) = k” Ip Ia sin гр, (3-6)
где Фт и Ф„— магнитные потоки, создаваемые токами в
обмотках wT и йун соответственно; тр — угол (рис. 3-5, а)
между векторами токов /р и /н.
Учитывая, что ф—90°—((?₽+«), выражение для Л1вр
запишем как
АГвр = kUр /р cos (фр И- а), (3-7)
где а = 90°—агд(/о-|-7н) —внутренний угол реле; ZH —
сопротивление обмотки напряжения.
Из (3-6) следует, что реле срабатывает (ЛГВР>О) при
условии
— (л/2 + а) < срр < (л/2 — а) (3-8)
н не срабатывает (Л1ЕР<0) при других значениях фр.
Основной характеристикой реле является зависимость
напряжения срабатывания реле 7/CjP от угла <рр =
» л .
= (7/р 7Р) сдвига фаз между подводимыми к нему на-
пряжением и током (при неизменном значении тока /г).
Зависимость Uc,p=f (фр) представлена на рис. 3-5, б в
прямоугольных координатах. Из (3-7) ясно, что наиболь-
шей чувствительностью ({/с>р=вС/с>рлп/п) реле обладает
при фр,м,ч (фр,м,ч=— а), который называется углом
максимальной чувствительности.
В зависимости от значения внутреннего угла а харак-'
тернстика реле изменяет положение в плоскости коорди-
нат. При а=90° реле называется синусным’. UC;P =
= t/c,p,min при срр =—90°, а при а = 0 — косинусным;
^Ср — min ПрИ Срр=О.
3-7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
На рис. 3-6 представлена принципиальная схема сравнения фаз
с нуль-индикатором 7/Я, которая может быть использована в ка-
честве реле направления мощности.
Схема выполнена па основе полупроводникового диодного клю-
ча. Управляющей величиной является ток реле /p,t.' В положитель-
ный полупериод 7РЛ диоды Д открыты, в сопротивлении /?н прохо-
дит ток /Hj = 7/Pit. В отрицательный полупериод /рд диоды закры-
ты, так как /₽,*/?©>UP,t и /„.( = 0.
Напряжение на входе нуль-индикатор а НИ
^НИ, i = Ав,/
102
Постоянная составляющая напряжения
чсние и знак в зависимости от <рР. Из рис.
батывает ((/11И>0) при — л/2<<рР<л/2,
синусным.
UН11 изменяет свое зна-
3-6 ясно, что реле GPa-
т. е. реле является ко-
Рис. 3-6. Принципиальная схема (й) и временные диаграммы (б)
реле направления мощности.
3-8. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
Под схемой включения реле направления мощности
(РМ) подразумевается сочетание входных величин, т. е.
и /р. Схема включения РА1 должна обеспечивать:
правильную фиксацию направления мощности к. з.
при всех повреждениях, на которые защита должна реа-
гировать;
возможно большее значение мощности на входе реле
при к. з. для повышения чувствительности н надежности
действия защиты,
В токовых направленных защитах линий от между-
фазных к. з. наибольшее распространение получила
90-градусная схема включения РМ.
Схема называется по значению угла между током и
напряжением, подводимыми к реле в нормальном сим-
метричном режиме, когда векторы напряжении и токов
одноименных фаз совпадают. Прн этом фазовый сдвиг
Фг=(^р /р)~90°.
103
Сочетание фазных токов и междуфазных напряжений,
подводимых к РМ при их включении по 90-градусной
схеме: 1а—йвс\ 1в—Uca\ 1с—Uab-
На векторной диаграмме (рис. 3-7) показано поведение реле
направления мощности, включенного на ток фазы А при двухфаз-
ном к. з. Х в начале защищаемой линии. Считая направление
вектора Up фиксированным,
зону возможных изменений
Рис. 3-7. Векторная диаграм-
ма для оценки поведения РЙ
фазы А при К -
ется достоинством 90-градусной
можно определить относительно пего
фаз тока /р, когда реле еще будет
срабатывать. Эта зона ограничива-
ется прямой линией, называемой
линией нулевой чувстви-
тельности л.нч. (штриховка
показана со стороны зоны несраба-
тывания) и сдвинутой на угол
90°— а по часовой стрелке относи-
тельно вектора Up~-OBC (приэтом
Ф>0, поскольку отсчет ведется
от напряжения к току по часовой
стрелке), Перпендикулярно линии
нулевой чувствительности располо-
жена линия максимальной
чувствительности л. м. ч.,
а соответствующий ей угол фр =
=—а является углом максималь-
ной чувствительности. Как видно
из векторной диаграммы, даже при
к. з. в начале линии к реле подво-
дится напряжение UPt незначитель-
но отличающееся по абсолютному
значению от рабочего напряжения
линии (t/ps=*0,75 t/раб). Следова-
тельно, мертвая зона при двухфаз-
ных к. з. отсутствует, что явля-
схемы включения реле.
Применительно к защите от многофазных к. з. наи-
более целесообразным значением внутреннего угла явля-
ется а=30—45°,
Недостатком 90-градусной схемы включения РМ (как
и всех других схем) является наличие мертвой зоны
защиты при металлическом трехфазном к., з. вблизи мес-
та установки защиты, так как напряжение, подводимое к
реле, в этом случае близко к нулю. Однако если учесть
малую вероятность возникновения такого повреждения,
а также то обстоятельство, что мертвая зона направлен-
ной защиты перекрывается, как правило, зоной действия
ненаправленной токовой отсечки, указанный недостаток
не является существенным.
104
3-9. ОЦЕНКА ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ
1. Применение органа направления мощности позволяет обес-
печить селективность токовых защит в кольцевых сетях с одним
источником питания и в радиальных сетях с любым числом источ-
ников питания.
При наличии органа направления мощности можно увеличить
защитоспособиость первых и вторых ступеней. Селективность этих
ступеней обеспечивается в сетях любой конфигурации с любым
числом источников питания.
2. Защита проста по исполнению, а поэтому надежна. Однако
наличие мертвой зоны, а также возможность неправильного выбо-
ра направления мощности при нарушениях в цепях напряжения,
питающих реле направления мощности, снижает надежность токо-
вой направленной защиты от междуфазных к. з.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ДИСТАНЦИОННЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ
4-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ
СРАБАТЫВАНИЯ
Дистанционными [1] называются направлен-
ные и ненаправленные защиты, выполняемые, например,
с использованием реле сопротивления, действие которых
определяется электрической удаленностью к. з- по отно-
шению к месту включения реле. Для реле сопротивления
воздействующая величина определяется отношением
вектора напряжения на зажимах реле (7Р к вектору тока
/р, т. е. сопротивлением петли к. з. В нормальном рабо-
чем режиме работы линии сопротивление Zp=[7p//p по
модулю существенно превышает его значение при к. з.
на линии. Угол вектора Zp в нормальном режиме опреде-
ляется нагрузкой, а в режиме к. з. — параметрами линии.
Следует отметить, что в измерительном органе ди-
станционной защиты указанное отношение формируется
только при удаленности до места к. з., соответствующей
концу защищаемой зоны, т. е. когда где
i/p/^p — сопротивление петлн к. з.; 2с,з — сопротивление
срабатывания защиты.
При всех других повреждениях и нормальном режиме
такое отношение в дистанционном органе не формирует-
ся. Важно лишь то обстоятельство, что £/р//Р^/г;?с,з или
Дистанционные защиты выполняются ми-
нимальными, т. е. срабатывают, если t/p//p^/e2c,3.
105
Сопротивление на зажимах измерительных реле за-
щиты (реле сопротивления) является основным пара-
метром ее срабатывания. Вторым параметром защиты
является выдержка времени. ^Направленная дистанцион-
ная защита может служить основной защитой линий с
двухсторонним питанием в сетях, любой конфигурации.
Рис. 4-1. Защищаемые зоны и времена срабатывания ступеней трех-
ступенчатой дистанционной защиты линии с двухсторонним пита-
нием.
Выбор параметров срабатывания трехступенчатых дистанцион-
ных защит радиальной сети с двухсторонним питанием показан
на рис. 4-1. Все защиты — направленные, поэтому должны согла-
совываться характеристики только тех защит, направление дейст-
вия которых одинаково, т. е. защит /, 3, 5 и 2, 4, 6.
Сопротивление срабатывания и зону действия первых
ступеней защит обычно выбирают равными
(4-П
/! == 0,85/л, (4-2)
где £л — сопротивление фазы защищаемой линии; /л —.
длина защищаемой линии»
106
Время действия первых ступеней защит выбирается
минимально возможным, т, е. отстраивается только от
времени действия разрядников, установленных на линии,
/£,3 =0,08-j-0,l с.
Охват первой ступенью защиты всей линии (Z1 = /л)
невозможен из-за неточности задания сопротивлений ли-
нии, неточности уставкн реле н других погрешностей.
Если на линии (например, АБ) имеется ответвление
для питания трансформатора без выключателя на сторо-
не высшего напряжения, то для защит участка АБ, на-
пример защиты 1 (рис. 4-1), к условию (4-1) добавится
еще одно условие
z\ а1 --- 0,85 (z' + z ), (4-3)
С,31 ’ отп 1 ту’ \ '
где готп — сопротивление участка линии от места уста-
новки защиты до точки отпайки; гт — сопротивление
трансформатора.
Если^иместся выключатель на стороне высшего на-
пряжения ответвления, то дистанционные органы первых
ступеней защит 1 и 2 не должны срабатывать при к. з.
в месте подключения отпайки, В этом случае, например,
Zc,3i' определится условием
z’ — 0,85г' . (4-4)
Сопротивление срабатывания вторых ступеней защит
определяется из условия их несрабатывания при к. з. в
конце первой зоны защиты смежной линии, а также при
повреждениях за трансформаторами:
« 0.85 + <,,); 1
С<0’85^ + г-г). ( ’
где Зс.з.п — сопротивление срабатывания первой ступени
защиты предыдущей (смежной) линии (см, рнс. 4-1);
гт — сопротивление трансформатора приемной подстан-
ции.
В случае наличия дополнительных источников подпит-
ки места к. з., например генераторов (или синхронных
двигателей), на подстанции Б при определении z”3i не-
обходимо учитывать неравенство токов в месте к, з, при
к, з, на линии БВ (7к3) и в месте установки защиты 1
(Лн), введя для него дополнительное к (4-5) условие
г"з1 <0’85 (л, + (4‘6)
107
где zi,33=zj,3in ; £T=WAti— коэффициент токораспре-
ДСУ1СИНЯ> ^зап”“ коэффициент запаса (меньший единицы).
Зоны действия вторых ступеней защит, как правило,
охватывают всю защищаемую и часть смежной линии.
Таким образом, вторая ступень дистанционной защиты
линии выполняет функции основной защиты при к.з. в
конце линии и на шинах противоположной подстанции
(если отсутствует специальная быстродействующая за-
щита шин).
Чувствительность защиты считается приемлемой, ес-
ли г’’3 1,25 2Л.
Прн к. з. в зоне первой ступени предыдущего участка
вторая ступень выполняет функции резервной защиты.
Выдержка времени второй ступени отстраивается от вре-
мени срабатывания первой ступени защиты предыдущего
участка сети
^c!si = С:,зЗ +
Сопротивления срабатывания третьих (последних)
ступеней защит выбираются меньшими минимально воз-
можных сопротивлений на зажимах измерительных реле
прн нагрузках в нормальном режиме работы сети.
Так, сопротивление срабатывания третьей ступени
защиты.с ненаправленными реле сопротивления опреде-
ляется согласно следующему выражению:
~Ш s'? = М.ТХ
йс,з zpa6,mi« г ’ Ч
раб,max
где /раб ,?nax — максимальный рабочий ток; f/pa6m(n — ми-
нимально возможное напряжение при максимальном ра-
бочем токе.
Для защиты с направленными реле сопротивления,
имеющими характеристику в виде окружности, проходя-
щей через начало координат,
2111^ ^ря»,гпг/1 (4-7а)
С Э /ряб (фм.ч фн)
где фм.ч И фн — углы максимальной чувствительности ре-
ле и нагрузки.
Сопротивление срабатывания третьей ступени долж-
но тЬкже согласовываться по чувствительности с защита-
ми смежных линий.
108
Время срабатывания защиты выбирается по встречно-
ступенчатому принципу (см, рис. 4-1).
Назначением последней ступени защиты является ре-
зервирование защит предыдущего участка сети.
4-2. ОСНОВНЫЕ ОРГАНЫ ЗАЩИТЫ
Один из вариантов структурной схемы трехступенчатой дис-
танционной защиты (в однофазном изображении) представлен на
рис, 4-2.
Измерительная часть дистанционной защиты содержит следу-
ющие органы:
Пусковой орган, назначением которого является выявле-
ние наличия повреждения. Его функции обычно выполняют изме-
Рис. 4-2. Структурная схема трехступеичатой дистанционной защи-
ты линии.
рительные реле третьей ступени защити: реле сопротивления PC
или реле тока 1РТ (рис. 4-2). В последнем случае третья ступень
дистанционной защиты является максимальной токовой защитой.
Дистанционный орган, определяющий удаленность
повреждения от места установки защиты (выявляет повреждение
в защищаемой зоне или вне ее). В него входят измерительные реле
первой и второй ступеней защиты (реле сопротивления ЗРС
и 4 PC).
Орган направления мощности, предотвращающий
срабатывание защиты при направлении мощности от линии к ши-
нам в месте установки защиты (реле 2РМ).
109
Функции дистанционного органа и органа направления мощно-
сти могут совмещаться при использовании в схеме защиты направ-
ленных реле сопротивления.
Логическая часть защиты содержит элементы логического сло-
жения, логического умножения и времени (рис. 4-2). Последние
создают выдержки времени ступеней защиты.
4-3. РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Измерительное реле сопротивления может быть вы-
полнено ненаправленным или направленным.
Сопротивление срабатывания ненаправленного реле—
реле полного сопротивления (рис, 4-3, а) не зависит от
фр. Его область срабаты-
вания ограничена окруж-
ностью с'центром в нача-
ле координат. Характери-
стика срабатывания на-
правленного реле сопро-
тивления в полярных ко-
ординатах представляет
собой ( как правило) ок-
ружность, проходящую
через начало координат-
(рис. 4-3,6).
Электромеханическое и
полупроводниковое реле
полного сопротивления
Рис, 4-3. Области срабатывания
реле полного сопротивления (а)
и направленного реле (б).
нашли широкое распространение в дистанционных за-
щитах линий систем электроснабжения.
Электромеханическое реле полного сопро-
тивления выполняется иа индукционном устройстве срав-
нения фаз токов А, 7ц аналогично реле направления
мощности (рис, 4-4). К обмоткам wj и реле подво-
дятся напряжения:
й\ = Up + kip,
Un = йр—kip,
где k — комплексный коэффициент.
Сравниваемые по фазе токи в обмотках (рнс. 4-4):
1] = (pj;
Aj = t/ii/Zn = AiZ фи,
/10
где Zb ZH и <pi, <рп — сопротивления цепей обмоток н
их аргументы.
Последовательно с w п включается балластное ак-
тивно-емкостное сопротивление (резистор R и конденса-
тор С), обеспечивающее необходимую фазу тока /ц,
определяемую условием
ср, —<Ри = |<Pj | + |Фи | = 90°.
4
ф<90°
Рис. 4-4. Индукционные
реле полного сопротив-
ления.
а — структурная схема реле;
б — векторные диаграммы-
Вращающий момент, действующий на якорь реле, со-
гласно § 3-6
Л1вр = k' 1Ц sin <р — — k! 1{ /и созф,
где k'—коэффициент пропорциональности; <p=(/i'ii );
111
Вращающий .момент положителен, и реле срабатыва-
ет, если 0<ф< 180°, т. е. 90°<i|)<270o.
Реле находится на грани срабатывания (Л1вР—0) при
ф—90°. Из векторной диаграммы, соответствующей гра-
нице срабатывания (рис. 4-4), видно, что Up=klp и гр=
= [/р//р=й==гс,р.
При ф>90° Л1вр>0; t/P<fe/P; гр</?=:гС1р и реле
срабатывает. При ф<90° ЛТвр<0; Up^>k!p; zp*>k и реле
по срабатывает.
Полупроводниковое реле сопротивления вы-
полняется на схеме сравнения абсолютных значений двух
подведенных к реле величин — тока /р и напряжения Up.
Подводимые к реле ток 1Р и напряжение Up преобра-
зуются в пропорциональные выпрямленные напряжения
н [/гЕ=/р. Постоянные составляющие напряжений
(/[ и [/2 сравниваются между собой. При нуль-
индикатор, подключенный на напряжение = —U[t
срабатывает, что соответствует срабатыванию реле со-
противления,
4-4. ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ
Как указывалось выцге, подведенные к реле /р и Up
должны быть такими, чтобы их отношение было пропор-
циональным расстоянию /к до места к. з.: [/P//P=ZK =
~Z|/I(, где 1\ — удельное сопротивление линии.
Указанное условие выполняется, если:
при междуфазных к. з. к реле сопротивления подводятся сле-
дующие сочетания междуфазных напряжений и разностей фазных
токов:
UаЪ* ibt
t'ca f A; At"’
(4-8f)
прн двойных замыканиях на землю на участках, по которым
проходит ток нулевой последовательности, к реле подводятся фаз-
ные напряжения и сумма фазного тока и некоторой доли тока
нулевой последовательности Если, например поврежденной фазой
на таком участке оказалась фаза А, то напряжение Ua в месте
подключения защиты определяется суммой напряжения в точке
к.з. X и падения напряжения па длине /зам до места повреждения
U'a = U1K^ A Zi Аам + ^2д + 422 Аам + <А)/С + A) Zq Аам*
112
где Z1( Zj, Zo— удельные сопротивления линии разных последова-
тельностей. Учитывая, что напряжение в месте к. з. Олк^®. а так-
же, что дли линий Z1-Z21 можно получить:
— Zi *8ам ( <4 + ° Z1 \ ^°)’
Следовательно, для того чтобы Zp было пропорциональным
расстоянию до места повреждения /зам Zi, к дистанционному орга-
ну необходимо подвести следующие величины:
~ ^А>
• • 20 — Zj . . < ,
/р “ ’ Л) = lA + k
(4-9)
Схемы дистанционной защиты, предусматривающие
использование трех реле сопротивления для выполнения
каждой ступени защиты, носят название трехсистемных
схем. Такне схемы надежны, однако требуют'для своей
реализации большого количества сравнительно дорого-
стоящих измерительных реле сопротивления. Поэтому
дистанционная защита часто выполняется по односис-
темной схеме, т. е. с использованием одного измеритель-
ного реле сопротивления. При этом повредившиеся фазы
защищаемой лнннн определяются с помощью реле пуско-
вого органа. Защита содержит соответствующую логиче-
скую часть, управляемую пусковым органам и обеспечи-
вающую подключение измерительного реле сопро-
тивления к указанным напряжениям н токам петли
к. з.
Разность токов нли сумму фазного тока и тока нуле-
вой последовательности получают с помощью промежу-
точных трансформаторов тока. Упрощенная схема вклю-
чения односистемного дистанционного органа защиты
ДЗ-1 для линий 35 кВ [16] приведена на рис. 4-5. В ка-
честве пусковых токовых органов прн междуфазных к. з.
здесь применены реле 1РТ—-ЗРТ, а прн двойных замы-
каниях на землю — пусковой орган на реле 4РТ. В зави-
симости от вида повреждения к реле сопротивления,
выполненному иа диодной схеме сравнения абсолютных
значений, подводятся величины в соответствии с (4-8) н
(4-9). Так, при двухфазном к, з. Каб срабатывают реле
1РТ, 2РТ, промежуточное реле 1РП, в результате чего
/р = /й—Д, a
8—529
113
Может быть выполнена н бесконтактная схема пере-
ключения дистанционного органа [17], что в значитель-
ной мерс повышает надежность односнстемиого исполне-
ния дистанционного органа.
Рис 4-5, Дис опционный орган защиты ДЗ-1.
На рис. 4-6 представлена принципиальная схема дистанционной
защитит с зависимой от удаленности к. з. характеристикой выдерж-
ки времени длт^ липни 6—10 кВ, Основными элементами схемы
защиты являются: избиратель поврежденных фаз И и дистанцион-
ный орган Д (реле сопротивления с зависимой характеристикой
выдержки времени).
Избиратель поврежденных фаз выполнен по принципу сравне-
ния абсолютных значений токов фаз, При симметричном рабочем
режиме, трехфазном к. з, или двухфазном к. з, между фазами /?
й С контакты реле 1Р и 2Р избирателя находятся в положении,
показанном на рнс 4-6. При этом к формирующим цепям дистан-
ционного органа подводятся напряжения, пропорциональные
|7ь --7с| и
При срабатывает реле 1Р, а при Кд^ —2Р, подключая
к формирующим цепям необходимые [в соответствии с (4-8) |
электрические величины.
114
К общим формирующим цепям защиты подключены два реле:
пусковой орган ЗР и реагирующий орган 4Р, образующий вместе с
контуром RC (со стороны токовых цепей) орган с зависимой ха-
рактеристикой выдержки времени.
Рис. 4-6, Дистанционная защита линии 6—10 кВ.
При возникновении к. з. в защищаемой зоне срабатывает пус-
ковой орган ЗР, дешуптируя конденсатор С. По мере заряда кон-
денсатора С срабатывает реле 4Р с выдержкой времени, примерно
пропорциональной удаленности от места к. з
Сопротивление срабатывания (уставка защиты) регулируется
отпайками автотрансформатора Л Г и отпайками вторичной обмот-
ки трансформатора напряжения ТН1.
Уставка защиты по времени срабатывания при к. з. в конце
защищаемой зоны регулируется набором емкостей С и (плавно)
резистором R.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ
S-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ продольной дифференциальной
токовой ЗАЩИТЫ
Дифференциальной называется защита, сравниваю-
щая для определения места повреждения два или не-
сколько токов (или только их фазы).
’ 8*
115
S-З. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
И ОТСТРОЕННОСТИ ЗАЩИТЫ
Линия электропередачи имеет, как правило, значи-
тельную длину, поэтому ТТ дифференциальной защиты
оказываются расположенными далеко друг от друга. Со-
противление проводов, соединяющих вторичные обмот-
ки ТТ, велико и может значительно превышать допусти-
мую нагрузку ТТ. Для снижения нагрузки ТТ использу-
ются промежуточные трансформаторы (ПТТ) (рнс. 5-2),
уменьшающие нагрузку ТТ в Пп,т k раз (Лл,т — коэффи-
циент трансформации ПТТ),
Поскольку защита должна отключать оба выключа-
теля линии (1В и 2В), устанавливаются два дифферен-
циальных реле — по одному на передающей и приемной
подстанциях. При этом значительно снижается чувстви-
тельность защиты, поскольку ток небаланса в реле уве-
личивается, а ток в реле защиты при к. з. на линии
уменьшается. Увеличение тока небаланса объясняется
тем, что вторичные токи ПТТ в точках разветвления (рис.
5-2) делятся па неравные составляющие Г и I", обратно
пропорциональные сопротивлеииим и 2р-|-2пр (гпр—
сопротивление соединительных проводов). Уменьшение
тока в реле при к. з. на линии объясняется распределе-
нием суммарного вторичного тока к. з. между двумя реле
защиты. В частности, при 2яр=0 в реле проходит ток
/к,в/2. Поэтому чувствительность и отстроеиность защиты,
выполненной с простыми токовыми реле (рис. 5-1), ока-
зываются недостаточными.
Для повышения чувствительности и отстроенностн защиты
существует несколько способов, основные из которых заключаются
в следующем:
1. Применение замедления действия защиты для отстройки от
больших значений тока /нп в переходном режиме внешнего к. з.
Однако при этом снижается быстрота срабатывания.
2. Включение последовательно с обмоткой реле добавочного
сопротивления. Эффект от применения этого способа заключается
в различной степени уменьшения йы (при внешних к.з.) и /р (при
внутренних к. з.).
3. Использование сравнения фаз вместо сравнения абсолютных
значений токов, поскольку относительная угловая погрешность ТТ
меньше, чем токовая. Поэтому даже при неодинаковом насыщении
трансформаторов тока по концам линии при внешнем к.з, получа-
ется удовлетворительная отстроснность защиты,
4. Использование для отстройки защиты от (нб переходного
режима содержащихся в ^ем апериодических слагающих. Сущест-
вует много разновидностей этого способа, при которых обеспечива-
118
ется как улучшение отстроенности, так и чувствительности защиты.
В их числе: включение реле тока через промежуточные насыщаю-
щиеся ТТ (НТТ), выделение апериодической составляющей «нб и
автоматическое загрубление защиты.
5. Применение дифференциальных реле тока с торможением.
Наиболее широко применяются два последних способа,
Рис. 5-2. Продольная дифференциальная токовая защита линий
с промежуточными трансформаторами.
а — поясняющая схема при внешнем к.з-; бпоясняющая схема при к.з. в
зоне; в — векторная диаграмма при внешнем к.з,; а —векторная диаграмма
при к. з. в зоне.
119
По концам защищаемой линии (рис. 5-1) устанавли-
ваются трансформаторы тока ТТ с одинаковыми коэф-
фициентами трансформации /Ст. Их вторичные обмотки
соединяются {пофазно) проводами' и подключаются к
обмотке измерительного реле РТ. В нормальном режиме
РТ
2ТТ
1ТТ
ZB
16
р
в)
KZ
Рис. 5-1. Продольная диффе-
ренциальная токовая защита.
а— поясняющая схема при внеш-
нем к з.; б — поясняющая схема
при к а. а зоне; в — векторная ди-
аграмма при внешнем к. з ; г —- век-
торная диаграмма при к з. в зоне
работы линии или при внешнем к. з. (К/) в обоих транс-
форматорах тока проходит одинаковый первичный ток
/1п (рис. 5-1, а), а в реле — разность вторичных токов
/Р=Лн—Ны с учетом принятых положительных направ-
лений н полярности обмоток трансформаторов тока.
При к. з. в защищаемой зоне (точка К,2 па рис. 5-1,6)
/р —1в + /цв =Л(/Ат.
116
Если питание одностороннее (т. е. /цв=0), то /р=
=/ib , н реле РТ срабатывает, если /р>>7с,р. Такая схема
дифференциальной защиты называется схемой с цир-
кулирующими токами.
5-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРА СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТЫ
При внешнем к, з. в реле защиты проходит некоторый
ток, называемый током небаланса. Ои равен разности
токов намагничивания ТТ, установленных по концам
защищаемой линии:
“ /нб = Лв Ala ~ Лыам Лнам> (5'1)
где /[нам и /цНам —токн намагничивания ТТ,.приведен-
ные к их вторичным обмоткам.
Ток небаланса близок к нулю в том случае, если токи
Лнам н /пнам совпадают по абсолютному значению и по
фазе, т. е. если характеристики трансформаторов тока
ITT и 2ТТ одинаковы.
Ток /пб возрастает с увеличением первичного тока
внешнего к, з. При этом следует также иметь в виду, что
при больших кратностях тока по отношению к номиналь-
ному увеличиваются токн намагничивания (т. е. умень-
шается сопротивление намагничивания), что еще в боль-
шей степени увеличивает /не.
Ток небаланса тем больше, чем больше нагрузка ТТ.
Кроме того, на значения iH6 переходного режима сущест-
венное влияние могут оказывать постоянные времени Т}
(затухания апериодической слагающей первичного тока)
и Т2 (вторичной цепи защиты).
Таким образом, ток срабатывания реле должен от-
страиваться от максимального значения /нб
/с,р ^отс нб,расч,т<м> (5’2)
Чувствительность защиты определяется как
= /к,min !К. /с.р- (5*3)
При этом считается необходимым иметь A’4iTn;n^2.
117
Продольные дифференциальные защиты линий ббыч-
но выполняются с помощью реле с торможением.
Рассмотрим токи, протекающие в реле и соединитель-
ных проводах защиты (рис. 5-2).
Из векторных диаграмм (рнс. 5-2, виг) следует, что
прн внешнем к. з. ток циркуляции |/ц| > |7р|, а прн
внутреннем к. з., наоборот, |/ц| < |/р|. Если током
создать дополнительное торможение, то защита прн
внешнем к. з. будет автоматически загрубляться (тем
больше, чем больше ток внешнего к, з.), а при внутрен-
нем к. з. за счет существенного уменьшения тормозного
действия защита будет более чувствительной.
Рис. 5-3, Реле с торможением.
а — схема, поясняющая принцип действия; б —диаграмма для определения
чувствительности реле защиты с торможением.
На рис. 5-3, а показана схема реле с торможением,
выполненного на электромеханическом принципе. На
якорь реле Я действуют три вращающих момента. Мо-
мент, обусловленный током Д>аб=/в1+/в2 в обмотке шр,
определяется выражением Л1Р = ЛР/Р. Момент, обуслов-
ленный током торможения /т в обмотке wT (т. е. током
к. з.), вычисляется по формуле Л1т—Ат/т. Третьим явля-
ется момент возвратной пружины Мп. В условиях сраба-
тывания. реле Мр—Тт—Mn = 0. С учетом выражений
для Мр й Мт ток срабатывания определяется следующим
образом:
(5-4)
120
В приведенных выражениях kv, Ат, k' и k" — постоян-
ные коэффициенты. Зависимость показана на
рис. 5-3, б,
Поскольку /раб, при котором срабатывает реле с тор-
можением, зависит от /т, чувствительность защиты опре-
деляется по выражению
~ /к,min/Xr/с,р,ч» (5-5)
где /н,т»п — минимальный4 ток прн металлическом к. з.
в зоне действия защиты; /с,р,ч — ток срабатывания реле
с учетрм тока торможения, определяемый графоаналити-
ческим методом [18].
Значение /с,р,ч определяется точкой пересеченна ха-
рактеристики реле lc>p=f(IT) и зависимости
прн к. з. в зоне. Зависимость /Раб от /т представлена на
рис, 5-3, б прямой линией, поскольку /т и /рЭб пропорцио-
нальны току к. з. Пересечение этой прямой с характе-
ристикой срабатывания реле определяет точку k4t кото-
рая соответствует минимальному току 1ктт, при котором
реле еще может сработать.
Форма характеристики срабатывания реле определя-
ется углом наклона а линии, проходящей через начало
координат, и задается коэффициентом торможения
^TopM = tg Ct.
Чем больше АТОрм, тем эффективнее отстройка защиты
от больших переходных токов iH6-
5-4. ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАЩИТЫ С ПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ
Продольная дифференциальная защита линии имеет,
как правило, односистемное исполнение, при котором
необходимы лишь два соединительных провода и два
дифференциальных реле, устанавливаемых по концам
защищаемой линии. В односистемиой защите (рис. 5-4)
дифференциальные реле включаются через суммирующий
трансформатор тока или через фильтр симметричных
составляющих тока. Обычно используется комбиниро-
ванный фильтр тока КФГ прямой и обратной последо-
вательностей (/ф = /1±А/з)
В защите линий сетей с изолированной (или компен-
сированной) нейтралью целесообразно применение ком-
бинированного фильтра типа /ф=/\— АгАг+^о/о, под-
ключаемого к трансформаторам тока двух фаз (обычно
121
Л и С). Прн указанном фильтре защита обеспечивает
отключение только одной поврежденной линии более
чем в 2/з случаев двойных замыканий на землю..
Сопротивление соединительных проводов вносит ис-
кажение* в работу защиты, вследствие чего распределе-
ние токов в реле может быть неравномерным. Для сни-
жения нагрузки иа трансформаторы тока и уменьшения
Рис. 5-4, Одпосистсмное исполнение схемы продольной дифферен-
циальной токовой защиты липин.
их погрешности в схему введены промежуточные тран-
сформаторы 1ПТТ и 2ПТТ. Эти трансформаторы выпол-
няются насыщающимися, вследствие чего при больших
токах внешних к. з., когда увеличение погрешности тран-
сформаторов тока может вызвать излишнее срабатыва-
ние защиты, она превращается в дифференциально-фаз-
ную (см. § 5-5),
Для защиты дифференциальных реле от высокого напряже-
ния, которое может быть наведено в соединительных проводах, ре-
ле подключают к жилам контрольного кабеля через изолирующие
Трансформаторы 1ИТ и 2ИТ.
Следует отметить, что при обрыве соединительных проводов
возможно ложное срабатывание защиты при внешнем к. з., что вы-
зывает необходимость автоматического контроля исправности этих
Проводов,
122
При увеличении длины защищаемой линии искажающее влия-
ние соединительных проводов существенно, что привело к необхо-
димости разработки специальных схем с компенсацией этого влия-
ния [19].
5-5. ПРИНЦИП ВЫПОЛНЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ФАЗНОЙ
ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ БЛОКИРОВКОЙ
Для дифференциально-фазных токовых защит с вы-
сокочастотной блокировкой целесообразно использова-
ние блокирующих сигналов с нормально отсутствующи-
ми (если нет повреждения в линии) токами в. ч. (рис. 5-5).
Высокочастотный сигнал попадает на вход приемника
через фильтр присоединения ФП, представляющий со-
бой конденсатор высокого напряжения малой емкости,
достаточной для прохождения в. ч, сигнала. Для исклю-
чения попадания иа вход приемника в. ч. сигналов за-
щит соседней линии, а также для обеспечения наимень-
ших потерь в. ч. сигнала за счет возможного его «отсоса»
в соседние линии предусмотрены высокочастотные за-
градители ВЗ, устанавливаемые по концам защищаемой
линии (рис. 5-5, а).
Рассматриваемый принцип предусматривает сравне-
ние фаз токов по концам защищаемой линии. Защита
выполняется односистем-ной путем формирования сум-
марных токов, получаемых с помощью комбинированного
фильтра что, как и в предыдущем случае,
не только упрощает канал связи, но и обеспечивает
высокую чувствительность защиты при несимметрич-
ных К. 3.
Структурная схема защиты представлена па рис. 5-5, а, Заши-
та имеет два пусковых органа, подключенных к трансформаторам
тока ТТ. Первый состоит из реле тока 1РТ и 2РТ и предпазна ;сн
для действия защиты при трехфазпых к.з. Второй, включающий
токовые реле ЗРТ и 4РТ, подключенные через фильтр тока обрат-
ной последовательности ФТОП, предназначен для действия защи-
ты при всех несимметричных к.з. В каждом пусковом органе <),iho
реле (1РТ и ЗРТ) чувствительнее другого (2РТ и 4РТ), Необхо-
димость этого следует из того, что в нормальном режиме линии
в, ч, сигналы отсутствуют (передатчики не работают). При возник-
новении повреждения необходимо сначала запустить в, ч передат-
чики с обоих концов линии (что и выполняют реле 1РТ или ЗРТ
через блок ИЛИ-1), а только затем (сравнив фазы токов по кон-
цам линии) разрешить (или не разрешить) отключение выключа-
теля. Такую разрешающую функцию выполняют реле 2РТ и 4РТ
через блок ИЛИ-2. Передача фазы тока, получаемого от комбини-
рованного фильтра токов ФТК,, производится органом управления
123
/Д /\ /\ ВыаоВФТК
£—V/——\7 ^амногс‘,homia
Выхов ФТК
‘у валенназо конца
В. V. сигналы
Ванного конца
____В. у. сигналы
уваленного конца
В. у. сигналы на
в лове приемники
} | Сигналка дз/хо-
вс ориимника
Рис. 5'5. Дифференциально-фазная в.ч. защита.
и - структурная схема; б — диаграмма, поясняющая принцип действия,
ОУ, питаемым током h+kl2 и осуществляющим подачу с частотой
промышленного тока запускающего и останавливающего сигналов
на передатчики П блоков приемопередатчиков Пр!П.
Передатчики запускаются при одновременном наличии (схе-
ма И) двух сигналов; сигнала органа управления и разрешающего
124
блокировки
Рис. 5-6. Фазная характери-
стика дифференциально-фаз-
ной в. ч. защиты.
сигнала любого из двух пусковых органов (1РТ или ЗРТ). Дли-
тельность сигналов ОУ и пауз между ними равна половине перио-
да частоты 50 Гц (т.е. 0,01 с), а их фазы соответствуют фазе тока
к. з. со стороны рассматриваемого полукомплекта защиты. Пере-
датчики при внешних к. з. работают в разные полупериоды
(рис. 5-5,6). На выходе приемника Пр, принимающего сигналы
как своего передатчика, так и передатчика противоположного кон-
ца защищаемой линий, появляется
сигнал только-при отсутствии сиг-
налов от обоих передатчиков. По-
этому при внешнем к. з. на входе
приемников имеется сплошной (без
пауз) в. ч. сигнал, и сигнал на
выходе приемника отсутствует.
При к.з. в зоне в. ч. сигнал на
входе приемника имеет перио-
дические паузы, что приводит к
появлению в этйх паузах выходно-
го сигнала приемника. Этот пре-
рывистый сигнал сглаживается
устройством сглаживания УС и
вызывает срабатывание реагиру-
ющего органа РО, в результате
чего через исполнительный орган
ИО подается сигнал на отключе-
ние выключателя В.
Зона углов сдвига фаз ср
между сравниваемыми то-
ками, в которой защита мо-
жет быть представлена фаз-
ной характеристикой
(рнс. 5-6), т. е. зависимостью
сигнала /р, 0 на входе реаги-
рующего органа от угла <р.
Защита применяется в сетях электроснабжения круп-
ных промышленных предприятий и городов на линиях
110 220 кВ. Защита имеет высокое быстродействие и
хорошую чувствительность.
5-6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПАРАМЕТРЫ СРАБАТЫВАНИЯ
ПОПЕРЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ
ЗАЩИТЫ
Поперечная дифференциальная токовая защита, как
и продольная, обладает абсолютной селективностью.
Принцип действия защиты основан на сравнении токов
одноименных фаз одного конпа ' параллельных линий.
На рнс. 5-7 показана принципиальная схема поперечной
125
дифференциальной токовой защиты сдвоенной кабель-
ной лнпни. Ток в реле защиты
~ /в1
При внешнем к. з. (точка К/) в реле проходит лишь
ток небаланса /р — 7Нб- Ток срабатывания реле должен
превышать /нб, а /с,» определяется так же, как и для
продольной дифференциальной защиты [см. (5-4)].
Рис. 5-7. Поперечная дифференциальная токовая защита сдвоенной
линии.
При к. з. на одном из кабелей защищаемой линии
ток в реле защиты равен разности вторичных токов к. з.
в поврежденном и неповрежденном кабелях и защита
срабатывает. Прн к. з. на определенном участке в конце
линии защита отказывает в действии, поскольку раз-
ность токов по мере перемещения к. з. вдоль линии
у.меньшается и становится меньше тока срабатывания-
защиты. Поэтому поперечная дифференциальная защи-
та ие может быть единственной защитой такой линии.
Недостатком рассматриваемой защиты является так-
же то, что оиа не выявляет повредившийся кабель, а
следовательно, не может использоваться на параллель-
ных линиях.
Введение в схему поперечной дифференциальной то-
ковой защиты органа направления мощности двухсто-
роннего действия устраняет указанный недостаток.
Принципиальная схема направленной поперечной диф-
ференциальной токовой защиты представлена на рис. 5-8.
Комплекты направленной поперечной дифференциальной
токовой защиты устанавливаются как на питающих,
так и на приемных концах защищаемых параллельных
линий.
126
Орган направления мощности двухстороннего дейст-
вия имеет два выхода, в частности два контакта реле
РМ (рис. 5-8, а). Один из них замыкается при положи-
тельном вращающем моменте, другой — при отрица-
тельном.
Рис. 5-8. Направленная поперечная дифференциальная токовая за-
щита параллельных линий.
«—принципиальная схема; б — диаграмма, поясняющая действие защиты
при перемещении точки к. □, по длине линии.
При к. з. на одной из защищаемых линий реле на-
правления мощности РМ обоих комплектов защиты
ориентируются (замыкают контакты) таким образом,
что отключающее воздействие подается на выключатели
поврежденной линии.
127
Ток срабатывания поперечной дифференциальной то-
ковой защиты параллельных линий в сети с изолирован-
ной (компенсированной) нейтралью выбирается по двум
условиям. Во-первых, ток срабатывания должен превы-
шать максимально возможный ток небаланса при внеш-
нем к. з.
/с.з = ^отс /нб,перв,расч ~ ^отс (/нб 4~ /нб)> (5-6)
Ток 1'нб определяется погрешностью ТТ и вычисляется
по формуле
'нб ^апер ^оДн ®'к,вн,та*’ (^'^)
где Аапер>-1—коэффициент, учитывающий наличие апе-
риодической слагающей в переходном режиме внешнего
к. з.; АОди=0,5-М — коэффициент однотипности; в —
допустимая относительная погрешность трансформатора
тока.
Ток /Нб обусловливается неравенством сопротивле-
ний zi, г2 параллельных линий (если они выполнены
проводами различных марок или имеют неодинаковую
длину):
Гнв = 2-^-’ (5-8)
Вторым условием является то, что ток срабатывания
защиты должен быть больше максимального рабочего
тока обеих линий для предотвращения ложного действия
защиты при оперативном отключении одной нз них
/с,,= 2яИ- (5-9)
Выбирается, большее значение тока /с,э- Обычно оп-
ределяющим является второе условие.
Прн к. з. на определенном участке конца линии, про-
тивоположного месту установки комплекта защиты,
например на участке/к.д2 (рис. 5-8,5) защита 2 срабаты-
вает лишь после отключения выключателя поврежден-
ной линии защитой 1. Поэтому участки /к,д] н /к.дг явля-
ются зонами каскадного действия защит I и 2
соответственно.
Чувствительность защиты определяется прн к. з. в точ-
ке равной чувствительности Zp>4, прн к. з. в которой токн
в реле обоих комплектов защит равны (/Pi = /P2), а так-
же в зонах каскадного действия. Защита считается при-
емлемой по чувствительности при
128
При к.з, в зоне каскадного действия, например /ц,дй защиты 2,
защита / после отключения выключателя поврежденной линии мо-
жет успеть неправильно отключить и выключать неповрежденной
линии вследствие изменения знака вращающего момента реле на-
правления мощности Для предотвращения такого неправильного
действия защиты оперативный ток подается к реле 1РТ через по-
следовательно включенные замыкающие вспомогательные контакты
выключателей обеих линий (см ри<_ 5-8, а) Благодаря этому за-
щита автоматически выводится из действия при оперативном от-
ключении одной из параллельных линий, что необходимо для пре-
дотвращения неправильного ее срабатывания 'при внешнем к.з.
в этом режиме работы. При оперативном отключении одной из
параллельных линий с противоположного конца защита выводится
из действия с помощью отключающих устройств (на рисунке не
показаны)
Поперечная дифференциальная токовая направлен-
ная зашита имеет, как правило, хорошую чувствитель-
ность, чю предопределило се широкое распространение,
особенно в сетях 35—110 кВ. Принципиальный недоста-
ток поперечной дифференциальной защиты — невозмож-
ность ее использования при выводе нз работы одной из
параллельных линий — обусловливает необходимость
установки на параллельных линиях дополнительных ре-
зервных защит.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Если емкостный ток при однофазном замыкании на
землю не превышает 10, 20 и 30 А для сети с напряже-
нием соответственно 35, 10 н 6 кВ, то сеть работает с
изолированной нейтралью. Если же емкостный ток пре-
вышает указанные значения, то нейтраль сети заземля-
ется через дугогасящий реактор (ДГР) с целью сниже-
ния тока замыкания на землю до допустимого значения.
Защита от замыкания на землю должна, как прави-
ло, действовать на сигнал. Однако в ряде случаев защи-
та (с точки зрения техники безопасности) должна быст-
ро отключать повредившуюся линию.
6-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ЗАЩИТ
В сети с изолированной и компенсированной нейтра-
лью однофазное замыкание на землю не сопровождает-
ся протеканием через место замыкания больших токов;
такой режим работы сети допускается в течение 2 у.
9-529 129
В соответствии с векторной диаграммой (см, § 1-4)
изменение фазных напряжений, а также появление на-
пряжения нулевой последовательности может быть ис-
пользовано для выполнения неселективной защиты от
замыкания на землю. В реальных условиях из-за пере-
ходного сопротивления в месте замыкания напряжение
неповрежденной фазы относительно земли снижается не
до нуля, а напряжения неповрежденных фаз относитель-
но земли оказываются меньшими, чем междуфазные.
Поэтому напряжение нулевой последовательности мень-
ше фазного напряжения. Указанное уменьшение харак-
теризуется коэффициентом полноты замыкания на зем-
лю
P = W^<1- (6-1)
В сетях простой конфигурации общий контроль изо-
ляции можно выполнить на основе использования ука-
занных соотношений в напряжениях. Такая защита яв-
ляется неселективной, и после ее срабатывания дежур-
ный персонал должен поочередным отключением
присоединений определить поврежденный элемент сети.
Подобная защита может быть выполнена либо с помо-
щью трех минимальных реле напряжения, включенных
иа -напряжения фаз относительно земли, либо с помощью
одного максимального реле напряжения, включенного на
напряжение нулевой последовательности. Напряжение
срабатывания реле напряжения t/c>p выбирается равным
примерно 20% номинального вторичного напряжения
TH, т, е. t/c,p=20 В.
При длительной работе сети с однофазным замыка-
нием на землю возможен переход RW в /\';в П из-за повы-
шения напряжений неповрежденных фаз. Поэтому в
протяженных сетях сложной конфигурации для сокра-
щения времени отыскания поврежденного элемента
необходимо иметь селективную защиту на каждом при-
соединении. Для осуществления селективных защит ог
замыканий на землю применяются, как правило, токо-
вые защиты,
6-2. ТОКОВАЯ ЗАЩИТА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
В сети с изолированной нейтралью ток замыкания на
землю (см. § 1-4) равен:
. (6-2)
130
где Gs —суммарная емкость всех гальванически свя-
занных элементов сети; — номинальное фазное на-
пряжение сети.
Поскольку линия является элементом сети с распре-
деленными параметрами, токи нулевой последователь-
ности в различных сечениях линий различны (рис. 6-1).
Рис, 6-1. Токораспределение в сети с изолированной нейтралью яри
однофазном замыкании па землю.
В неповрежденных линиях ток 3 /ос,о протекающий че-
рез место установки защиты, равен; 3 /осд — ЗюС^ф и
направлен к шинам. В поврежденной лннни ток 3/ос,п —<
*=36ф(о(Сх —Сп) и направлен от шин.
Следовательно, для создания селективной защиты
можно оценивать ток 3/0, протекающий через трансфор-
матор тока нулевой последовательности (ТИП) защиты,
или его направление.
В сети с нейтралью, заземленной через ДГР, в месте
замыкания на землю протекает также ток ДГР 3/qi.;
причем этот ток протекает только в поврежденной линии
(Лп на рис. 6-1). Следовательно, ток, протекающий че-
9*
131
рез ТНП поврежденной линии, в этолг случае равен:
3/оп = 37ос\п -Ь 3/од — 3£7ф co (Се — Crt) 3U$!xl =
= 3(/ф(ш (CL- С„) - 1/сй£дГР], (6-3)
где Лдгр —индуктивность ДГР.
Поскольку в полностью компенсированных и пере-
компенсироваиных сетях 1/£дгрш>(й(С2—Сп), а ток
З/ol сдвинут по отношению к току 37ос,п на 180 эл.
град., направление тока в по-
врежденной линии может ока-
заться таким же (к шинам),
как и в неповрежденных ли-
ниях. Этим ограничивается об-
ласть применения направлен-
ной защиты нулевой последо-
вательности с использованием
реле направления мощности
синусного типа.
В качестве измерительного преоб-
разователя тока нулевой последова-
тельности используется обычно одно-
трансформаторный фильтр, имеющий
существенно меньшую погрешность,
Рис. 6-2. Установка ТНП чем тр е хч р а нсф'ор моторный. Одно-
на кабеле трансформаторный фильтр представ-
ляет собой трансформатор тока нуле-
вой последовательности ГШ7, имею-
щий три первичные обмотки и одну
вторичную. Трансформатор ТНП представляет собой кольцевой или
прямоугольный магнитопровод с намотанной па него вторичной об-
моткой, надетый на силовой кабель, по которому протекает ток за-
щищаемой линии (рис. 6-2),
Магнитный поток в сердечнике ТПП равен сумме потоков,
создаваемых токами фаз:
Ф = Фл + Ф£ фс. (6-4)
Если провода расположены относительно магнитопровода оди-
наково, то Ф^О только при наличии токов пулевой последователь-
ности. Фактически во вторичной обмотке ТНП всегда существует
ток небаланса, однако он значительно меньше тока небаланса трех-
трансформаторного фильтра.
Для получения максимальной чувствительности зашиты, т е.
для получения токовым реле защичы РТ от ТИН максимально
возможной мощности, сопротивление редс должно равняться со-
противлению ТНП, т, е.
Zp a: ZnaM. (6'5)
При этом ток, протекающий в реле, примерно равен току на-
магничивания ТНП, т, е, погрешность ТНП достигает ~50% [20].
132
Во избежание ложного срабатывания защиты при
протекании в оболочке и броне кабеля наведенных то-
ков броня и оболочка кабеля на участке 01 его воронки
до ТНП изолируются от земли, а провод, заземляющий
воронку, пропускается через окно ТНП (рис. 6-2).
Для обеспечения селективности токовой защиты f-й
линии ток срабатывания защиты должен быть отстроен
от тока 3/0iC,i, возникающего при замыкании на землю
на других присоединениях сети, а также от тока неба-
ланса, возникающего в ТНП при междуфазных к. з. на
приемной подстанции, получающей питание по защищае-
мой линии. Поскольку при перемежающейся дуге в ме:
сте замыкания на землю возможны броски емкостного
тока неповрежденной - линии, превышающие установив-
шееся значение этого тока в 4—5 раз, ток срабатывания
защиты определяется следующим образом:
^С.З — ^ОТС ^бр ' 16-6)
где kotc — коэффициент отстройки; — коэффициент,
учитывающий бросок емкостного тока.
Значение йбр принимается равным 4—5, если защи-
та действует без выдержки времени. При наличии вы-
держки времени йс;р~24-3. Значение k^c принимается
равным 1,1 —1,2.
Выбранный в соответствии с (6-6) 7С>3 обеспечивает
надежную отстройку от токов небаланса, возникающих
в ТНП при междуфазных к. з.
При работе защиты иа сигнал выдержка времени по
условию селективности не требуется.
Чувствительность защиты определяется отношением
тока нулевой последовательности, протекающего через
ТНП поврежденной линии, к /с>3
Ач 3/0//с,3. (6-7)
Приемлемым считается k4, равный 1,25 для кабельных н
1,5 для ВЛ.
Поскольку вычисление вторичного тока ТНП оказы-
вается весьма сложным, реле защиты настраивается на
заданный ток срабатывания при протекании в первичной
цепи тока заданного значения.
6-3. ОЦЕНКА ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Токовые устройства, реагирующие па полный ток ну-
левой последовательности в месте установки защиты (на
основе реле типов РТ-40/0,2 и РТЗ-50), просты и надеж-
133
пы в эксплуатации. Однако применение их в некомпен-
сированных сетях успешно лишь в тех случаях, когда
суммарный емкостный ток сети значительно превосходит
емкостный ток защищаемого присоединения. Если же
сеть слабо разветвлена и емкостный ток неповрежденного
присоединения соизмерим с током пулевой последо-
вательности поврежденного присоединения, в некомпен-
сированной сети может быть использована защита, вы-
полненная на основе устройств, реагирующих на направ-
ление мощности нулевой последовательности защищае-
мого присоединения в установившемся режиме замыка-
ния иа землю (типа ЗЗП-1),
Указанный принцип выполнения направленной защи-
ты позволяет осуществлять защиту в сетях с малыми
токами замыкания на землю (0,5—1 А). Область при-
менения этого принципа ограничена только некомпенси-
рованными сетями, поскольку в компенсированных (или
перекомпепсированных) сетях направления мощности
нулевой последовательности в поврежденном и непо-
врежденном присоединениях могут совпадать.
Для реализации защиты используют одно реле на-
правления мощности синусного типа, реагирующее на
мощность
<SP — зиа • з/й $in /0).
6-4. ДРУГИЕ ПРИНЦИПЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЗАЩИТ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
Наряду с рассмотренными принципами осуществле-
ния защиты от замыканий на землю применяются сле-
дующие принципы.
Защиты [22], использующие амплитуды брос-
ков емкостного тока замыкания на землю в начальные
моменты времени. Этот принцип применим как в компенсирозан-
ных, так и в некомпенсированных сетях.
Селективное действие защиты обеспечивается путем соответст-
вующего выбора ее тока срабатывания /с,лг„еь который должен
быть больше переходного тока Jot? пер» обусловленного емкостью
защищаемой линии
^.з.пеп’^те'З/а.пер- <6 8>
где &отс =2д-2,5 — коэффициент отстройки.
Приближенно можно считать, что наибольшие значения пере-
ходного тока пер превышает их установившееся значение в
134
раз, где w — первая собственная частота колебаний защи-
щаемой дипии; Wo — промышленная частота (50 Гц).
Как и в некомпенсированной сети, чувствительность защиты
(в случае малоразветвлепцой сети) можно увеличить, применив на-
правленную защиту.
К недостаткам jrroro принципа можно отнести невозможность
выявления устойчивых повреждений, а также трудности расчета
переходных токов, зависящих от момента возникновения повреж-
дения и значения переходного сопротивления в месте повреждения.
Токовые зашит ы,* для действия которых ис-
пользуется совокупность естественных высших
гармоник установившегося тока замыкания
на землю, В общем случае источниками гармоник являются?
ветви намагничивания подключенных к сети трансформаторов, не-
линейность нагрузки потребителей, несинусоидальность э. д,с. си-
стемы и генераторов и т, д. Этот принцип [23, 24] применяют в
условиях, когда в конкретной (компенсированной или некомпенси-
рованной) сети системы электроснабжения состав и уровень выс-
ших гармоник достаточно стабильны.
При любом виде установившегося однофазного замыкания на
землю гармонический состав тока нулевой последовательности по-
врежденной линии определяется i армоническим составом напряже-
ния «земли» относительно нейтрали источника питания, линейными
параметрами всех неповрежденных линий, имеющих общие шины
с поврежденной и компенсирующие реакторы, а также кратными
трем высшими гармоническими составляющими фазных э д, с. си-
стемы и линейными параметрами системы (емкостями фаз по от-
ношению к «земле»).
Ток нулевой последов а телыюсти поврежденной линии содер-
жит сумму высших гармонических составляющих токов нулевой
последовательности всех неповрежденных присоединений, а также
высшие гармонические тока компенсирующей катушки. Следова-
тельно, селективное определение поврежденной линии может быть
обеспечено путем сопоставления (сравнения) уровней высших гар-
монию токов нулевой последовательности присоединений (способ
относительного замера) или пуУем измерения абсолютного уровня
высших гармоник (способ абсолютного замера).
При способе относительного замера селективное определение
поврежденной линии обеспечивается в любых условиях, в том чис-
ле и при замыканиях, сопровождающихся перемежающейся дугой.
Высшие гармоники токов нагрузки, имеющей, как правило, элемен-
ты с нелинейной вольт-амперной характеристикой, повышают аб-
солютный уровень содержания гармоник в токах нулевой последо-
вательности^ не изменяя, однако, соотношения этих уровней для
различных присоединений,
К устройствам сигнализации однофазных замыканий на зем-
лю, реализующим относительный замер, относятся, например,
УСЗ-З, УСЗ-ЗМ, разработанные ВНИИЭ [24, 25].
В сетях с небольшим числом присоединений целесообразно ис-
пользовать устройства относительного замера (УСЗ-ЗМ, УСЗ-З).
Эти же устройства применяют и в сетях с большим числом при-
соединений в качестве резервных к устройствам абсолютного за-
мера в случаях отказов последних при значительных переходных
сопротивлениях. По результатам исследований [26J значение пере-
ходного сопротивления для высших гармоник находится в преде-
135
лах (0,7—2,5) х0,с, где %Огс — емкостное сопротивление контура ну-
левой последовательности при частоте 50 Гц.
Направленные з а’щ иты, использующие актив-
ную составляющую установившегося тока замы-
кания на землю, с реле направления мощности косинусного
типа. Естественная активная составляющая тока в осн он ном обу-
словливается активным сопротивлением дугогасящей катушки
(в компенсированных сетях), В некомпенсированных сетях искус-
ственно создаваемая активная составляющая тока обеспечивается
(иногда) заземлением нейтрали (непосредственно после момента
замыкания) через активное сопротивление. Применение этого прин-
ципа ограничено необходимостью исключения влияния высших гар-
моник тока, а тйкже необходимостью иметь весьма небольшие уг-
ловые погрешности измерительных преобразователей пулевой по-
следовательности.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ЛИНИЙ
7-1. ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОММУТИРУЮЩИМИ
АППАРАТАМИ
Линии электропередачи, как и другие элементы систе-
мы электроснабжения, подключаются к источнику пита-
ния с помощью коммутирующих аппаратов. В основном
это выключатели различных типов с приводами и разъе-
динителями. На подстанциях, выполненных по упрощен-
ной схеме, широко используются также отделители и
короткозамыкатели. Управление коммутирующими аппа-
ратами, за исключением разъединителей, производится,
как правило, не вручную, а дистанционно, телемехани-
чески или автоматически.
Дистанционное управление коммутирующими аппа-
ратами осуществляется оперативным персоналом с по-
мощью ключа со щита управления, который находится
обычно на относительно небольшом расстоянии от управ-
ляемых аппаратов. В зависимости от типа коммутирую-
щего аппарата и типа его привода схемы дистанционно-
го управления различны. Источником питания цепей ди-
станционного управления является один из нсточниког
оперативного тока, рассмотренных в § 2-13,
Об ьект ы системы электроснабжения напряжением выше 1000 В
коммутируются выключателями с пружинными или электромагнит
пыми приводами
Энергия, необходимая дли включения или отключения выклю
чателя, в пружинном приводе накапливается заранее путем заводг
136
пружин включаюшего и отключающей о механизмов выключателя.
Поэтому для питания схемы управления выключателем с пружин-
ным приводом может быть использовав относительно маломощный
(до 500 Вт) источник постоянного или переменного оперативного
тока.
Пружинные приводы [13] имеют три системы контак-
тов вспомогательных цепей: вспомогательные контакты
вала выключателя, контакты конечного выключателя,
вспомогательные аварийные контакты.
Вспомогательные контакты вала выключателя свя-
заны с валом привода, н нх положение определяется ко-
нечным положением выключателя. На схемах они обо-
значаются обычно буквой В.
Положение контактов конечного выключателя определяется по-
ложением пружины привода. Конечный выключатель отключает элек-
тродвигатель автоматического моторного редуктора (АМР) завода
пружин привода от источника питания при полном заводе пружин.
Контакт конечного выключателя в цепи электродвигателя АМР обоз*
начается на схемах обычно ВК. Остальные контакты конечного вы-
ключателя носят название контактов готовности приводя и обозна-
чаются КГП Вспомогательные аварийные контакты, обозначаемые
на схемах 'БкА, связаны с валом привода и изменяют свое положе-
ние при включении выключателя, В такам состоянии БкА находят-
ся до тех пор, пока выключатель не будет отключен вручную или
дистанционно, что приведет к возврату ВКА в исходное положение.
При автоматическом отключении выключателя от релейной защиты
(и при его последующем включении) положение БКА не изменяет-
ся; БКА используются, как правило, в цепях автоматического вклю-
чения выключателя
На рис 7-1, а. изображена схема дистанционного управления
выключателем е пружинным приводом При повороте ключа управ-
ления КУ в положение «Включать» s катушка включения ЛВ (если
пружины привода заведены, а следовательно, КГП замкнут) полу-
чает питание и выключать включается. При автоматическом вклю-
чении выключателя устройства автоматики шунтируют1 зажимы i,
2 КУ'. Дистанционное отключение выключателя производится путем
поворота КУ в положение «Отключить» о, в результате чего получа-
ет питание катушка отключения КО выключателя. Для автоматиче-
ского отключения выключателя КО обычно не используется Уст-
ройства релейной защиты, действующие на отключение выключате-
ля, подключают к источнику питания отключающие релейные эле-
менты (например, РТМ), встроенные в привод выключателя,
После включения выключателя пружины включающего механиз-
ма привода теряют энергию, При этом срабатывает конечный вы-
ключатель ВК, подключая своим контактом к источнику питания
двигатель Д автоматического моторного редуктора привода, Кон-
тат ВК разомкнется лишь при полном, заводе пружин привода.
Вспомогательные контакты В( и Да предохраняют от обгорания
контакты КУ, а /Д, ВА коммутируют лампочки ДО, ЛВ, сигнализи-
рующие положение'выключателя.
137
Выключатели с пружинным приводом нашли широкое примене-
ние в системах электроснабжения, так как для питания их цепей
управления может быть использован относительно маломощный ис-
точник как постоянного, так и переменного оперативного тока. Кро-
ме того, наличие пружинного привода позволяет использовать про-
стые устройства релейной защиты, выполненные на реле прямого дей-
ствия или 1Ю схеме с дешунтированием катушки отключения выклю-
чателя. Однако пружинные приводы из-за малой мощности не могут
быть использованы на мощных масляных выключателях. Поэтому
наряду с выключателями, оснащенными пружинным приводом, в си-
стемах электроснабжения широкое распространение получили вы-
ключатели с электромагнитным приводом.
Электромагнитный привод прост, удобен в эксплуа-
тации, обладает большой надежностью, однако для уп-
равления нм необходим достаточно мощный источник
постоянного оперативного тока. Катушка отключения
выключателя потребляет более 1 кВт, а катушка вклю-
чения — Десятки киловатт. В качестве источника опера-
тивного тока при этом могут использоваться либо мощ-
ная аккумуляторная батарея, либо сочетание различных
источников выпрямленного оперативного тока, например
БПН для питания релейной части схемы управления,
предварительно заряженной конденсаторной батарея
для питания катушки отключения и специального мощ-
ного выпрямителя, подключенного к трансформатору
собственных нужд, для питания катушки включения.
На рис. 7-1,6 изображена схема дистанционного управления вы-
ключателем с электромагнитным приводом, В схеме использован
ключ управления типа КВФ, имеющий шесть положений: «предва-
рительно включено» «1, «включить» в2, «включено» в, «предваритель-
но отключено» Of, «отключить» о2, «отключено» о. Положения вь в,
оь о являются фиксируемыми, а в положениях в2 и Оз Л'У находится
лишь во время соответствующего воздействия на его рукоятку. Для
включения выключателя рукоятку КУ необходимо повернуть в поло-
жение йг. При этом его контакты 1—2 замыкаются, что приводит к
срабатыванию контактора пуска Л77, контакты которого подключа-1
ют. катушку включения КВ выключателя к шинам включения ШВ, и
выключатель включается: Автоматическое включение выключателя
производится путем шунтирования контактами устройства автома-
тики контактов 1—2 КУ. Для отключения выключателя КУ необ-
ходимо поставить в положение о2> что приведет к замыканию кон-
тактов 3—4 КУ и подключению катушки отключения КО выключа-
теля к источнику питания. Электромагнитный привод имеет лишь
одну катушку отключения, поэтому автоматическое отключение вы-
ключателя от релейной защиты осуществляется пу:ем шунтирования
устройствами РЗ контактов 3—4 КУ.
Вспомогательные контакты Д и В2 выключателя предотвраща-
ют длительное протекание тока в цени КО и К/7/а также размыка-
ние этих цепей контактами КУ, устройств автоматики или релей-
138
ной защиты. Одновременно контакты В-, В2 коммутируют токи в
обмотках много’контактных промежуточных реле положения выклю-
чателя РПО, РПВ. Реле РПО срабатывает при отключении выклю-
чателя, а РПВ — при его включении. Контакты РПО и РПВ
отражают положение выключателя и используются в цепях автома-
тического управления и сигнализации. Токи, протекающие в обмот-
ках РПО и РПВ, ограничены сопротивлениями 1R и 2R.
Реле РБМ (реле блокировки от многократного включения) пре-
дотвращает опасное для выключателя многократное его включение
на к. з. в случае длительного существования включающего сигнала,
например, из-за приваривания контактов 1—2 КУ или контактов ав-
томатических устройств. При возникновении к. з срабатывает ре-
-ШУ
Рис. 7-1. Схемы управле-
ния выключателем с пру-
жицным (а) и электромаг-
нитным (б) приводами.
лейная защита и отключает выключатель. Одновременно срабатыва-
ет РБМ, так как его обмотка РБМц включена последовательно с
КО. При наличии включающего сигнала РБМ самоудерживается,
так как его контакт РБМ2 подключает обмотку РБМ-} к источнику
питания. Контакт РБМ^ размыкает цепь включения выключателя,
Предотвращая тем самым его .повторное включение на к. з. Кроме
того, РБМ с помощью контакта РБМ% фиксирует появление отклю-
чающего сигнала, шунтируя контакты релейной зашиты и контакты
3—4 КУ Д° полною отключения выключателя (размыкания В2), что
повышает надежность выполнения операции отключения.
Положение выключателя сигнализируется с помощью ламп JJO
и ЛВ, причем при соответствии положений КУ н выключателя со-
ответствующая лампочка горит ровным светом. Например, при вклю-
139
ченном положении выключателя (замкнут контакт РПВ{) и КУ в
положении «включено^ (загмкнуз ы контакты 9 10 КУ) Л В под-
ключена к шинкам сигнализации + ШС, —ШС и горит ровным
светом. При несоответствии положений КУ и выключателя соответ- ,
ствующая лампочка горит мигающим свозом. Например, при вклю-
ченном положении выключателя (РПВ' замкнут) и положении КУ
«предварительно отключено» (замкнуты контакты 11—12 КУ) ЛВ
оказывается подключенной к шинке мигающего света ( + ) ШМ.
Кошакты Р11О2 и Р11В2 использованы для сигнализации исчез-
новения питания схемы управления выключателем от шинок управ-
ления ШУ, так как РПО и РПВ могут быть одновременно обесто-
чены только при исчезновении питания. В эюм случае к шинке -\-ШС
подключается шинка обрыва питания ШО, что вызывает появление
звуковою сигнала
Широко используемые в системах электроснабжения
короткозамыкателн и отделители оборудуются в настоя-
щее время, как правило, односторонними приводами,
позволяющими выполнять дистанционно или автомати-
чески только одну операцию: у короткозамыкателя —-
включение, у отделителя — отключение, Привод корот-
козамыкателя (ПГ-10-К) оборудован двумя реле РТМ
и одним электромагнитом, который может получить пи-
тание от источника оперативного тока. Привод отделите-
ля (ПГ-10-О) имеет один электромагнит и одно реле
прямого действия типа БРО, способное отключать отде-
литель при исчезновении в нем тока, значение которого
превышало ток срабатывания БРО. К недостаткам при-
вода короткозамыкателя следует отнести то обстоятель-
ство, что вспомогательный контакт короткозамыкателя
замыкается раньше ножа короткозамыкателя, что необ-
ходимо учитывать в схемах релейной защиты и автома-
тики.
Рассмотренные схемы управления выключателями
предусматривают возможность их автоматического от-
ключения н включения от устройств релейной защиты и
автоматики. Для повышения надежности электроснаб-
жения потребителей широко применяются два вида уст-
ройств автоматического включения линий. К первому ви-
ду относятся устройства, вновь (повторно) включающие
линию после ее отключения.устройством защиты. Они по-
лучили название устройств автоматического повторною
включения (АПВ). Другой вид устройств предназначен
для автоматического подключения к потребителю резерв-
ной линии в случае отключения рабочего источника пи-
тания. Они называются устройствами автоматического
включения резерва (АВР),
ИО
7-1. НАЗНАЧЕНИЕ АПВ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К УСТРОЙСТВАМ АПВ
Назначением АПВ, как указывалось, является авто-
матическое восстановление питания потребителей в слу-
чае отключения питающей линии устройством релейной
защиты путем ее нового (повторного) включения. Воз-
можность восстановления таким образом питания потре-
бителей объясняется тем, что большинство к. з. на воз-
душных линиях оказываются неустойчивыми и исчезают,
если линию кратковременно отключить. По статисти-
ческим данным однократное АПВ воздушных линий ус-
пешно в 65—70% случаев, а при двукратном АПВ уда-
ется восстановить питание в 80—90% случаев после от-
ключения линий устройствами релейной защиты.
К устройствам АПВ предъявляется ряд требований:
обеспечение установленной кратности действия;
исключение возможности действия после отключения
выключателя персоналом;
исключение возможности действия при аварийном
отключении выключателя от устройств защиты сразу
после его включения персоналом вручную, дистанционно
или телемеханически;
автоматический возврат устройства АПВ в исходное
состояние.
Выполнение первого требования необходимо для предохранения
выключайся от разрушения в случае устойчивого к, з, При увели-
чении кратности АПВ вероятность исчезновения к. з. возрастает, од-
нако не во всех случаях оно исчезает даже прн многократном АПВ.
В го же время мноюкратное включение выключаюля на к. з. с по-
следующим его отключением приводит к быстрому взносу выключа-
теля и потере его работоспособности В насюящее время чаще всего
используется однократное АПВ, реже двукратное.
Третье требование связано с тем, что к. з, возникающие после
подключения обесточенной ранее линии к источнику питания, быва-
ют, как правило, устойчивыми (включение на закоротку). Повторное
включение линии под напряжение в этом случае оказывается ненуж-
ным.
Автоматический возврат устройства АПВ в исходное состояние*
в случае успешного повторного включения линии обеспечивает его
гоювность к последующим действиям,
7-3. ПАРАМЕТРЫ ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА АПВ
Параметрами действия устройства АПВ являются
время его срабатывания и время возврата в исходное со-
стоя mie. Время срабатывания АПВ определяется усло-
141
виями успешности его действия
А,АПВ А,с!
А.ЛГ1В > А.п,
(71)
где /д, с, А,и— время деионизации среды в месте к. з.
после его отключения и время готовности привода вы-
ключателя к его повторному включению.
Запуск устройств АПВ может производиться от не-
соответствия положения ключа управления и выключа-
теля или от релейной защиты,
В первом случае время срабатывания принимается
равным большему из двух значений:
А, АПВ = А.с А,в 4“ Аац» (7'2)
А,АПВ = tr.n + Аап» (7'3)
где А, в — время включения выключателя; Аап— время
запаса.
Прн запуске от релейной защиты А,апв увеличива-
ется на время отключения выключателя t0, D
А,апв = ^д,с Ч- А,в А,в 4~ Аап» (7'4)
А, дпв — А,и 4" А,в 4~ Аап- (7'5)
Определяющим, как правило, является значение
А»апв , полученное в соответствии с (7-3) или (7*5),
поскольку А, 0,1 •— 0,4 с,.А,п~0,2-г1 с.
В отдельных случаях выдержку времени А,апв при*
иимают несколько больше, чем получается по «приведен-
ным выше формулам (2—3 с), что, как показывает опыт
Эксплуатации, повышает устойчивость АПВ.
Время возврата устройства АПВ в исходное состоя-
ние определяется необходимостью обеспечения заданной
кратности его действия. В случае однократного АПВ
устройство АПВ, очевидно, не должно быть готовым вы-
дать команду иа включение выключателя к моменту его
повторного отключения релейной защиты в случае ус-
тойчивого к. з. на линии, поэтому
А,АПВ 4“ А,в 4' А,АПВ 4“ Аап> (7*6)
где Зтах — время срабатывания самой медленно дей-
ствующей релейной защиты линии.
Обычно время возврата с большим запасом принима-
ется равным А, апз ~ 20-;-30 с.
142
7-4. УСТРОЙСТВА АПВ *
Автоматическое повторное включение линии, отклю-
ченной устройствами защиты, осуществляется, как пра-
вило, с помощью выключателя. Однако имеется опыт
реализации АПВ линий без выключателей путем авто-
матической замены предохранителей [14].
При наличии выключателя используется механиче-
ское или электрическое АПВ. Правилами устройств
электроустановок предписывается обязательное приме-
нение АПВ на воздушных линиях напряжением 2—10 кВ
и выше. На кабельных линиях использование АПВ не
всегда является целесообразным, так как повреждения
на них часто бывают устойчивыми.
Устройствами механического АПВ снабжаются пружинные и
грузовые приводы выключателей. Такое устройство ио Время отклю-
чения выключателя освобождает защелку, удерживающую включаю-
щий механизм привода, в результате чего выключатель включает-
ся повторно за счет запасенной энергии груза или пружин. Устрой-
ство механического АПВ не имеет выдержки времени на включение
выключателя, а следовательно, АПВ может быть успешным только
при очень быстрой деионизации среды в месте к. з.
Наличие механического АПВ усложняет конструк-
цию привода и приводит к его ускоренному износу, так
как привод не успевает «подготовиться» к повторному
включению выключателя. Поэтому более предпочтитель-
но использовать электрическое АПВ. Однако несомнен-
ным преимуществом механического АПВ является от-
сутствие необходимости в источнике оперативного тока.
Схема электрического АПВ для выключателя с пружинным при-
водом приведена па рис. 7-2. В схеме используется вспомогательный
контакт аварийного отключения выключателя БКА, который замы-
кается при включении выключателя от КУ и остаеюя замкнутым
при отключении выключателя от релейной защиты он размыкается
только при отключении выключателя от КУ. В случае аварийного
отключения выключателя через ^рвна катушку включения
выключателя подается питание через контакты БКА, РВ, КГП и В2
и выключатель повторно включается. При Отключении выключателя
от КУ АПВ не происходит, так как вспомогательный контакт БКА
остается разомкнутым. Автоматический завод пружин привода обес-
печивается замыканием контакта конечного выключателя привода
ВК в цепи двигателя Д автоматического моторною редуктора и его
размыканием при полном заводе пружин
Однократность АПВ обеспечивается тем, что контакт РВ прос-
кальзывающий (импульсный), а время по/к отопки привода (время
замыкания КГП) равно времени возврата АПВ Прн устойчивом к.
з, после второго отключения выключателя от' релейной защиты сна-
чала замыкается и размыкается проскальзывающий контакт РВ, а
143
потом замыкается КГ/7, Таким образом, питание на КВ не подает
ся.
Недостатком рассмотренной схемы является возможность мно-
гократного включения выключателя в случае длительного замыка-
ния проскальзывающего контакта PR из-за его неисправности.
Питание схемы АПВ может осуществляться постоянным или пе-
ременным опера I ннным iokom. В качестве источника переменного
оперативного тока удобнее всего использовать трансформатор на-
пряжения или трансформатор собственных нужд подстанции
Piic, 7 -2. Принципиальная схема устройства АПВ линии на выклю-
чателе с пружинным приводом
Устройство АПВ па выключателе с электромагнит-
ным приводом отличается от устройства АПВ на выклю-
чателе с пружинным (грузовым) приводом, так как
электромагнитный привод потребляет большую мощ-
ность и требует специального источника постоянного
(или выпрямленного) оперативного тока. Для питания
катушки отключения выключателя при отсутствии акку-
муляторной батареи используется, как правило, предва-
рительно заряженная конденсаторная батарея или мощ-
ный комбинированный блок питания, составленный из
блоков БПТ-1001 и БПН-1001. Катушка включения вы-
ключателя получает питание от специального выпрями-
теля, подключенного к трансформатору собственных
нужд подстанции [15].
АПВ на выключателе с электромагнитным приводом
реализуется с помощью специального реле повторного
включения (РПВ). На рис. 7-3 изображена схема уст-
ройства АПВ с использованием реле повторного включе-
ния типа РПВ-358 и блока питания БПЗ, используемого
одновременно в качестве зарядного устройства конден-
саторной батареи 1С. Кроме того, в схему устройства
144
+УЗ
6ЛЗ
-УЗ, ШУ
*шв
„ куаал г
уу г
+-но ®4i~T—п
। н;
РП11
QO,>o/W6j6 б
III 11^
ааго}КУ
-Ш° °-т-
ТРИ
РЗ^
РПВ~35В
РП,
г\
о
6
8
К реле УД В
1_
ж
кп
зрп^
PB РВ
Р50и
РПО
1РП
то
°^'KyW
f-H-ю о4~н—< ।
TfflZ 8\| I
'^заррегДЛВ** •
ОУ
PPMf PSM,
4 1----
РЗМ.
4
РП
-шв
Рис. 7-3. Принципиальная схема устройства АПВ линии на выклю-
чателе с электромагнитным приводом.
10—529
[45
АПВ входят указательное реле РУ, реле РПО, срабаты-
вающее при отключении'выключателя, реле блокировки
от многократного включения выключателя РБМ и про-
межуточное реле 1РП, контакт которого замыкает цепь
разряда конденсаторной батареи 1С на катушку отклю-
чения выключателя КО прн отключении выключателя от
ключа управления КУ. Ключ управления выключателем
КУ, установленный в рассматриваемой схеме, имеет шесть
положений: — «предварительно включено», — «вклю-
чить», в—«включено», Ох—«предварительно отключено»,
о2—«отключить» и о —«отключено».
В состав РПВ входят реле времени РВ, на котором
устанавливается время /с,лпв, промежуточные реле РП с
обмотками РП1 н РПп, конденсатор С, энергия заряда
которого обеспечивает срабатывание реле РП (обмотка
РП{), резисторы заряда и разряда Из конденсатора.
При включении выключателя от КУ конденсатор С заряжается
с постоянной времени T3^P = R2C и остается заряженным в течение
всего времени нормальной работы линии. При возникновении к. з.
срабатывает релейная защита (замыкается контакт РЗ), в резуль-
тате чего катушка отключения КО выключи юля получает питание и
выключатель отключается При этом срабатывает РПО, так как на
его обмогку подается питание через замкнувшийся контакт Bj. Кон-
такты РПО замыкаются и подключают к источнику питания обмотку
реле времени РВ. Таким образом, запуск схемы АПВ осуществляет-
ся от несоответствия положений КУ и выключателя. Через время
^с,лпВ контакты РВ. замыкаются, создается цепь разряда конденса-
тора на обмотку РПт. Реле РП срабатывает, и на контактор пуска
КП через контакты РП2 и обмотку самоудерживания РПц подастся
питание. Контактор срабатывает и подключает катушку включения
выключателя КВ к шипам включения ШВ: выключатель включается.
Если к з. за время бестоковой паузы не устранилось (устойчи-
вое к з.). то вновь срабатывает релейная защита Конденсаторная
батарея' 1С к моменту действия защиты, т. е, за время /сАпв +
+ ^,н+/сы, должна запасти энергию, достаточную для отключения
выключи юля, Это условие при использовании в качестве зарядного
устройства ВПЗ обычно выполняеюя даже при наличии быстродей-
ствующей защиты. При повторном отключении выключателя от ре-
лейной защиты цепь несоответствия положений КУ и выключателя
вновь оказывается замкнутой, однако нового АПВ не произойдет,
так как конденсагор С за время Ц-,,а~Но.в+t с Л]-[в апв пе успе-
ст запасти энергию, достаточную для срабашщапия РП, Время заря-
да конденсатора С (^П,1пв) устанавливаемся обычно 20—30 с.
При отключенном положении КУ конденсатор С разряжен, так
как к ному подключен резистор Поэтому прн включении выклю-
чателя от КУ на к. з. АПВ не происходит
Нсдсйствие устройства АПВ при отключении выключателя клю-
чом управления обеспечивается разрывом цепи несоответствия кон-
тактом 1—2 КУ и разрядом конденсатора через резистор R3.
146
С целью предотвращения разряда конденсатора С на источник
питания при снижении его напряжения из-за близких к. з. и как
следствие отказа АПВ в реле РПВ-358 в цепи- заряда С установлен
полупроводниковый диод Д.
Реле рБМ исключает возможность многократного включения
выключателя при устойчивом к. з. на линии в случае длительного
(вследствие повреждения) замыкания контактов РП2 или контактов
3—4 КУ.
При неуспешном АПВ обмотка РВ длительно (до момента кви-
тирования положения КУ обслуживающим персоналом) находится
под током. Для повышения термической стойкости РВ в цепь его
обмотки при срабатывании реле вводится дополнительное сопротив-
ление
Контакт PUi используется для питания реле ускорения действия
защиты УДЗ. Запрет АПВ линии при срабатывании устройств за-
щиты и автоматики питающих шин осуществляется подключением
к конденсатору С резистора разряда R3i сопротивление которого
значительно меньше сопротивления в цепи заряда конденсатора;
конденсаюр быстро разряжается.
Прн выполнении релейной защиты линии на полупро-
водниковых элементах устройства автоматики лнннн це-
лесообразно также выполнять полупроводниковыми. В
частности, некоторые типы комплектных распредуст-
ройств (КРУ)» выпускаемых отечественной промышлен-
ностью, оснащаются комплексом полупроводниковых
устройств релейной защиты и автоматики, выполняемых
на базе логических элементов серии «Логика-Т» [8].
7-5. ОСОБЕННОСТИ АПВ ЛИНИЙ С ДВУХСТОРОННИМ
ПИТАНИЕМ
При осуществлении АПВ линии с двухсторонним пи-
танием необходимо считаться с тем, что при повреждении
на линии требуется ее отключение с обеих сторон. Следо-
вательно, АПВ линии необходимо осуществлять с двух
сторон. В общем случае приходится учитывать недопусти-
мость несинхронного-повторного включения, осуществляя
АПВ с контролем синхронизма [15]. Однако в
системах электроснабжения, как правило, имеется одна
или несколько шунтирующих связей и отключение одной
из линий не приводит к нарушению синхронизма. Поэто-
му обычно можно применять простые устройства АПВ
(см. § 7-4). Однако при осуществлении АПВ иа линиях
с двухсторонним питанием следует иметь в виду некото-
рые особенности при расчете устройства АПВ и его вы-
полнении.
10*
147
Отключение выключателей линнн с двухсторонним
питанием происходит обычно в разные моменты времени
[например, при к. з. в точке KJ (рис. 7-4) выключатель
1В отключится быстродействующей защитой, а отключе-
ние выключателе 2В произойдет с выдержкой времени
^з>м,гв 'ta.s 2В 1;лпв,г8 $в,в 2В
io,B
1в
16
^з,ь
16
'Маметп х,з,6К1
Рис. 7-4, Выдержки времени АПВ линий с двухсторонним питанием.
медленнодействующей ступени защиты]. Поэтому време-
на Zafib.ib и ^апвдн в общем случае будут разными. Из
временных диаграмм, соответствующих случаю к. з.
в точке KJ (рис. 7-4), из которых ясны моменты сраба-
тывания защит, АПВ, а также моменты отключения и
включения выключателей обоЙх концов линий можно оп-
ределить /,\пв.1ж
/дПВ,]В = t3,M,'2B f- to,в,2В + /д.с + /зап —
/з,б,1В to,B,lB /в,в, 15* (7-7)
Полагая 6,вг1я = /0,в,2в , получаем:
/дпвлл =/з,м,2В + /д.с + Gan — (6,6,1В + G.b.Ib), (7-8)
где 6,б и /3,м’—времена срабатывания соответствующих
быстродействующих и медленно действующих ступеней
защит.
Аналогично выбирается /апв другой стороны линии.
Очевидно, что tапв1щ=/алв.2В лишь в частном случае,
когда /,з,р. 15 •
Прн устойчивом к. з. па линии повторное включение с
обеих сторон нецелесообразно. Поэтому осуществляют
148
поочередное включение выключателей (например, вклю-
чают сначала 1В, а затем 2В), проверяя перед включени-
ем 2В наличие напряжения па линии с помощью макси-
мального реле напряжения, Замыкающий контакт реле
включается в цепь обмотки реле времени РВ типа РПВ-
358 (см. рис. 7-3). Напряжение срабатывания реле зада-
ют равным (0,7—0,8) U}Joyi
При таком построении АПВ время, срабатывания
?лпв,1в находятся ио (7-8), а время £апв,2/? из двух усло-
вий:
а) при к. з. на линии после отключения 2В реле на-
пряжения может остаться в сработавшем состоянии из-
за низкого значения коэффициента возврата и не будет
осуществлять запрета АПВ 2В до тех пор, пока не от-
ключится 1В. Поэтому необходимо, чтобы;
£л1]В,2£ = 1з,м,1В + ^заи ““" ^з,б,2В! (7'9)
б) при включении 1В на устойчивое к. з. через пере-
ходное сопротивление реле напряжения может сработать
и разрешить АПВ выключателя 2В, поэтому время
^апв,2в должно быть больше времени действия защиты
после неуспешного АПВ KhjbC учетом времени отклю-
чения выключателя
^АПВ 2В “ G.H.1B + ^о,в,1В + (7*Ю)
Когда применяется ускорение действия защиты после
АПВ (см. ниже), в (7-10) значение £3,h.ib принимается
равным времени действия ускоренной защиты.
За расчетное значение /апвдв принимается большее
из полученных по выражениям (7-9) и (7-10).
7-6. УСКОРЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ПРИ НАЛИЧИИ АПВ
При невозможности реализации быстродействующей
защиты линии время срабатывания защиты может быть
уменьшено, если защищаемые линии оборудованы уст-
ройствами АПВ.
При ускорении действия защит наряду с медленно
действующими селективными защитами используются
быстродействующие неселектнвные. Устройство АПВ
позволяет при наличии неселектнвных защит селективно
отключать поврежденную линию.
Типовые способы ускорения действия защит (УДЗ)
можно рассмотреть на примере радиальной сети, состоя-
149
щей из двух последовательно включенных линий (рис.
7-5).
Рассмотрим три типовых случая ускорения действия
защиты в радиальной электрической сети при наличии
устройств однократного АПВ, получивших названия УДЗ
до АПВ, УДЗ после АПВ и поочередное АПВ.
Рис, 7-5 Поясняющая схема к осуществлению ускорения защит ли-
ний в радиальной сети при наличии АПВ линий.
УДЗ до АПВ предполагает установку иа головном
участке сети (линия АБ на рис. 7-5), кроме селективной
(максимальной токовой) защиты МТЗ, неселектнвной
быстродействующей токовой отсечки НО (?с,э.зн<0,1 с).
Ток срабатывания неселективной отсечки выбирается,
исходя из условия ее недсйствия при к. з. на шипах низ-
шего напряжения приемных подстанций:
7с,з &отс /К,ВИ,max- (7-11)
Устройство АПВ устанавливается только на выклю-
чателе головного участка сети (выключатель 3 на
рис. 7-5).
Прн возникновении к. з. иа любой линии электриче-
ской сети срабатывает неселективная токовая отсечка НО
и отключает выключатель головного участка. Устройство
АПВ включает отключившийся выключатель, подключая
электрическую сеть к источнику питания. Неселективиая
отсечка выводится при этом из действия. Если к. з. за
время бестоковой паузы устранилось (успешное АПВ), то
защита, естественно, не действует. Если к. з. не устрани-
лось, то поврежденная линия отключается своей селек-
тивной максимальной токовой защитой МТЗ.
УДЗ после АПВ предполагает установку на каждой
липин электрической сети селективной максимальной то-
ковой защиты МТЗ и устройства АПВ. При возникнове-
нии к. з. (например, на линии БВ на рис. 7-5) повреж-
150
денная линия отключается своей селективной защитой.
При включении отключившегося выключателя устройст-
вом АПВ выдержка времени защиты линии снижается до
минимально возможного значения, что, естественно, де-
лает защиту неселектнвиой.
В случае неуспешного АПВ линия отключается уско-
ренной защитой без выдержки времени. В случае успеш-
ного АПВ линия остается включенной в течение некото-
рого (небольшого) времени с неселектнвиой защитой.
Поочередное АПВ предполагает установку, кроме се-
лективных защит МТЗ, нсселективных отсечек НО без
выдержки времени н устройств АПВ на всех участках
(линиях) радиальной электрической сети. Зона действия
неселективной отсечки включает в себя обычно всю за-
щищаемую линию и по меньшей мере часть смежной,
более удаленной от источника питания линии.
При к. з. па линии БВ в зоне действия иеселективной
отсечки НОЗ срабатывают отсечки 2 и 3, а следовательно,
отключаются выключатели обеих линий. Затем АПВ
включает выключатель линии АБ. Через время доста-
точное для отключения выключателя неселективной от-
сечкой, отсечка линии АБ выводится из действия, после
чего АПВ включает линию БВ:
t' ~ tc,3M + /о.вЗ + /.заш (7-12)
где /зап — время запаса, равное примерно 0,1 с.
Если к. з. в течение бсстоковой паузы не устранилось,
неселективная отсечка линии БВ отключает выключатель
2, АПВ линий происходит таким образом поочередно,
начиная с головного участка сети, что и отражено в наз-
вании данного вида УДЗ. Время срабатывания АПВ ли-
нии, более удаленной от источника питания, превышает
время срабатывания АПВ смежной линии на /'+/за«.
что составляет обычно 0,5 с.
7-7. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ РЕЗЕРВНЫХ ЛИНИЙ
Для повышения надежности электроснабжения боль-
шинство потребителей должно иметь несколько источни-
ков питания (по меньшей мере два). Выполнить это тре-
бование можно, создавая схемы с двухсторонним пита-
нием. Однако при этом повышается уровень токов к. з.,
а следовательно, утяжеляются и удорожаются коммута-
ционная аппаратура и кабели. Кроме того, усложняются
устройства релейной защиты.
151
Болес приемлемым путем часто является работа по
схеме одностороннего питания с использованием второ-
го источника в качестве резерва, который автоматически
включается при исчезиовеини питания от рабочего источ-
ника. Автоматическое устройство, осуществляющее вклю-
чение резервного источника питания, называется уст-
ройством АВР.
К устройствам АВР предъявляются следующие тре-
боваиия:
срабатывание при исчезновении питания от рабочего t
источника по любым причинам;
однократность действия;
включение резервного источника только после отклю- •
чейия рабочего и только при наличии напряжения на i
резервном источнике.
Для обеспечения первого требования устройство АВР >
должно иметь пусковой орган, срабатывающий при ис-
чезновении питания на резервируемых шинах подстанции. .
В качестве пускового органа чаще всего используется ми- -
иимальная зашита напряжения, часто называемая пуско- -
вым органом напряжения (ПОН). Второе требование;
предотвращает многократное включение выключателя!
резервного источника на устойчивое к. з. Условие вклю- -
чсния резервного источника только после отключения ?
рабочего предотвращает угрозу развития повреждения вз
рабочем источнике питания. При отсутствии напряжения?
на резервном источнике включение его выключателя бес- -
полезно.
Пусковой орган напряжения устройства АВР пред--
ставляет собой два минимальных реле напряжения и релее
времени. Обмотки реле напряжения включены на между--
фазные напряжения разных фаз, а контакты реле соеди--
йены последовательно. Применение двух реле иапряже--
ния исключает ложное действие ПОН при перегорании я
предохранителя в одной из фаз измерительного TH.
Напряжение срабатывания минимальных PH опреде-;-
ляется из условий:
(7.-13)))
^отс A/у
^с,рн < , (7-14)1)
где £7Раб, min — минимальное рабочее напряжение па ре-;-
зервируемых шинах (имеет место прн самозапуске дви-[-
152
гателей потребителей); Ки—коэффициент трансформа-
ции TH ; Аотс — коэффициент отстройки, равный 1,2—1,3;
£4,вн — остаточное напряжение на резервируемых, шинах
при внешнем к. з. за сосредоточенным сопротивлением
(реактором, трансформатором).
Время срабатывания АВР
^с,авр “ Л ,з Н- А^, (7-15)
где /с,з — максимальная выдержка времени защит на ли-
ниях, связанных с рабочим источником питания, к. з. на
которых сопровождается снижением напряжения на ре-
зервируемых шинах ниже Uc,рн; А/ — ступень селек-
тивности.
В1 качестве ПОН используется также одно реле вре-
мени типов ЭВ-215К — ЭВ-245К, представляющее собой
реле ЭВ-215—ЭВ-245, имеющее размыкающий контакт с
выдержкой времени на замыкание, в комплекте с выпря-
153
мительиым устройством типа ВУ-200, выполненным в
виде трехфазного полупроводникового выпрямителя. При
исчезновении напряжения РВ отсчитывает установлен-
ное время и ПОН срабатывает. При перегорании предо-
хранителя в одной фазе TH напряжение иа выходе
ВУ-200 остается значительно большим напряжения воз-
врата РВ и ложного срабатывания пускового органа не
происходит.
Резервная линия (ЛЗ на рнс. 7-6) может использо-
ваться различным образом: включаться только при ис-
чезновении питания на подстанции А или включаться
при исчезновении питания на любой из двух подстанций
(Л или Б). В первом случае имеет место одностороннее
АВР, а во втором—двухстороннее АВР. В обоих случа-
ях выключатель ЗВ резервной линии включен, а выклю-
чатель 2В в нормальном режиме работы отключен.
Схемы устройства АВР могут быть различными в за-
висимости от типа привода выключателя и источника
оперативного тока. Ниже рассматриваются схемы АВР,
представленные иа рис. 7-6, прн использовании выключа-
телей с пружинным приводом прн наличии автоматичес-
кого завода пружин.
7-8. ОДНОСТОРОННЕЕ АВР
При одностороннем АВР пусковой орган устройства
подключается к 1ТН (см. рис. 7-6), установленному на
шинах резервируемой подстацции А, а в качестве источ-
ника оперативного питания используется 2ТН, подключа-
емый к резервной лииин ЛЗ.
На рис. 7-G в схеме устройства ЛЕР сплошными линиями пока-
зана схема оперативного тока устройства одностороннего АВР. При
исчезновении напряжения на шинах подстанции Д реле 1РВ с вы-
держкой времени А.двр замыкает свои контакты в цепи от-
ключает 1В. Прн этом замыкается его вспомогательный контакт
и, если пружины привода выключателя 2В заведены {КГП j
замкнут), происходит включение 2В. Если причиной исчезновения
питания явилось устойчивое к. з, на шипах, то включившийся дейст-
вием АВР 2В отключается релейной защитой и вновь не включает-
ся, поскольку запас энергии пружин привода 2В исчерпан: КГП
разомкнут. Пружины от двигателя Д автоматического моторного
редуктора выключателя 2В заведены быть не могут, так как цепь
двигателя Д разомкнута на вспомогательном контакте 1В$.
При исчезновении рабочего питания вследствие отключения 1В
включение резервной линии происходит без выдержки времени. При
отсутствии напряжения на резервной липни АВР не произойдет, так
как в этом случае оперативное питание схемы АВР отсутствует.
154
7-9. ДВУХСТОРОННЕЕ АВР
Для осуществления двухстороннего АВР необходима
установка еще двух пусковых органов напряжения. Одни
из них 2РВ (рис. 7-6) подключается к 2ТН, другой ЗРВ—
к ЗТНг подключенному к шинам подстанции Б. При ис-
чезновении напряжения на подстанции Б, а следователь-
но, и па резервной линии ЛЗ реле ЗРВ и 2РВ срабатыва-
ют, причем
t,2PB = Д, ЗРВ + At (7-16)
Реле ЗРВ отключает выключатель 4В линии Л2, а
2РВ включает выключатель 2В, в результате питание
потребителей подстанции Б восстанавливается по линии
ЛЗ.
В качестве источника оперативного тока на подстан-
ции Б используется предварительно заряженная конден-
саторная батарея, поскольку при отключении Л2 со сто-
роны источника питания подстанция Б остается без на-
пряжения.
Устройства двухстороннего АВР выполнено аналогично рассмот-
ренной выше схеме одностороннего АВР, которая дополнена цепями
(пунктирные линии па рис. 7-6) включения 2В от 2РВ и реле РП,
обеспечивающим однократность действия устройства АВР в случае
устойчивого к. з. на шинах подстанции Б или на ЛЗ.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ГЕНЕРАТОРОВ
И СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ
8-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И КОМПЕНСАТОРОВ
Системы электроснабжения промышленных предпри-
ятий могут иметь кроме внешних источников питания
(энергосистема) собственные источники активной мощ-
ности, чаще всего синхронные генераторы заводских ТЭЦ.
Генераторы современных ТЭЦ имеют, как правило, зна-
чительную мощность (до 250 МВт) и поэтому являются
весьма ответственными элементами энергосистемы.
Генераторы оснащаются комплексом автоматических
устройств, повышающих надежность и эффективность их
работы в энергосистеме. Важнейшими устройствами ав-
155
тематики генератора, как и других элементов системы
электроснабжения, являются устройства релейной защи-
ты, предотвращающие разрушение генератора при воз-
никновении на нем повреждений нли предупреждающие
оперативный персонал о появлении ненормальных режи-
мов работы генератора, Генераторы оснащаются также
устройствами автоматического регулирования возбужде-
ния (АРВ), наличие которых позволяет повысить качест-
во получаемой потребителями электроэнергии благодаря
стабилизации напряжения в системе электроснабжения.
Кроме того, на генераторах, работающих параллельно с
энергосистемой, устанавливаются устройства их автома-
тического включения, т, е. устройства автоматической
синхронизации.
Комплекс автоматических устройств, устанавливае-
мых на синхронных компенсаторах, в основном аналоги-
чен комплексу автоматических устройств синхронного ге-
нератора, Однако существуют и определенные отличия в
назначении и выполнении отдельных устройств автомати-
ки, обусловленные существенно различными режимами
работы этих синхронных машин.
8-2. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И КОМПЕНСАТОРОВ
В цепях статора синхронного генератора н компенса-
тора возможно возникновение междуфазиых к. з., а так-
же замыканий на землю одной фазы или замыканий меж-
ду витками одной фазы. Опасность междуфазиых к, з.
состоит в том, что возникшая в месте повреждения элек-
трическая дуга приводит к выгоранию изоляции обмоток
и к выплавлению стали статора. Поэтому устройства ре-
лейной защиты должны быстро отключать повредившу-
юся машину от электрической сети, а также снимать с
нее возбуждение.
Ток междуфазиого к. з. зависит от места поврежде-
ния. Для двухполюсного турбогенератора, отключен-
ного от сети, ток трехфазного к. з. может быть определен
ориентировочно из выражения [3]
а£ф -------. (8-0
V (/?„ + а/?)2 н- а4*3
где а — доля замкнувшихся витков, т. р. отношение числа
замкнувшихся витков к общему числу витков обмотки;
156
£ф — фазная э. д. с. генератора; /?ц - переходное сопро-
тивление в месте повреждения; /?, х— активное и реак-
тивное сопротивления фазы генератора.
Анализ (8-1) показывает, что-при отсутствии /?(1 ток
к. з. возрастает с уменьшением доли замкнувшихся вит-
ков. Однако при наличии /?и ток к. з. при малых а может
иметь малые значения, что, естественно, снижает чувст-
вительность релейной защиты.
Зависимость значений токов других видов междуфаз-
ных к. з. от доли замкнувшихся витков аналогична зави-
симости тока трехфазного к. з.
Следует отметить, что выражение (8-1) является упрощенным.
В действительности зависимость значения тока от места к. з. в це-
пях статора двухполюсного турбогенератора гораздо сложнее [27].
Для многополюсных генераторов эта зависимость оказывается еще
более сложной.
Синхронные генераторы и компенсаторы, как прави-
ло, имеют напряжение от 3 до 10 кВ, а следовательно,
работают в системах с изолированными нейтралями или
с нейтралями, заземленными через дугогасящие реак-
торы.
Значение тока однофазного замыкания на землю в
обмотке генератора или компенсатора зависит как от
эквивалентного сопротивления сети по отношению к зем-
ле, так и от места замыкания и оказывается прямо про-
порциональным доле замкнувшихся витков а. Так, в сети
с изолированной нейтралью в предположении отсутствия
переходного сопротивления ток замыкания на землю ока-
зывается равным:
/<;)== ЗасоС,, жЕф, (8 2)
где св —круговая частота напряжения сети; Со,эк — эк-
вивалентная емкость фазы сети на землю.
Непосредственную опасность для машины представ-
ляют однофазные замыкания, при которых в месте пов-
реждения возникает дуга, оплавляющая активную сталь
статора. Необходимо автоматически отключать повредив-
шуюся синхронную машину, если ток замыкания на зем-
лю превышает 5 А. При токах замыкания на землю мень-
ше 5 А допускается действие защиты на сигнал.
В синхронном генераторе и компенсаторе электриче-
ские повреждения могут возникать не только в статор-
ных цепях, но и в цепи обмотки возбуждения (обмотки
ротора). Поскольку цепь обмотки возбуждения во всех
157
точках изолирована от земли, возникновение замыкания
па землю в одной точке не представляет непосредствен-
ной опасности для синхронной машины. Прн машинной
Системе возбуждения ток через место замыкания практи-
чески не проходит. При наличии в системе возбуждения
выпрямителей (ионные, тиристорные системы возбужде-
ния) через место замыкания проходит небольшой ток,
обусловленный пульсацией выпрямленного напряжения и
емкостью цепи возбуждения на землю.
Однако длительная работа генератора илн компенса-
тора прн налнчий замыкания на землю в одной точке це-
пи обмотки возбуждения не допускается, так как при
возникновении замыкания на землю во второй точке
часть обмотки возбуждения оказывается закороченной и
возникает непосредственная опасность для синхронной
машины. Замыкание на землю во второй точке цепи об-
мотки возбуждения приводит к выжиганию изоляции об-
мотки возбуждения и к нарушению симметрии магнитно-
го поля машины, что может вызвать сильную вибрацию.
На генераторах и синхронных компенсаторах устанав-
ливается защита от замыкания на землю в одной точке
цепи возбуждения, действующая на сигнал, или возник-
новение замыкания иа землю в одной точке выявляется
путем проведения периодических измерений. После вы-
явления такого повреждения к синхронной машине под-
ключается защита от замыкания на землю во второй
точке.
К ненормальным режимам работы синхронных гене-
раторов н синхронных компенсаторов прежде всего от-
носятся перегрузки. Симметричные перегрузки возника-
ют обычно прн форсировке возбуждения, связанной с по-
ниженном напряжения в электрической сети. При этом
перегружаются как обмотки статоров, так н обмотки воз-
буждения. На генераторах ТЭЦ устанавливается защита
от симметричных перегрузок, реагирующая на повышение
тока статора и действующая на сигнал. Аналогичная за-
щита синхронного компенсатора с выдержкой времени
примерно 60 с действует как на сигнал, так и на специ-
альное разгрузочное устройство, снижающее ток возбуж-
дения и отключающее автоматический регулятор возбуж-
дения (АРВ). Нормальная работа синхронного компенса-
тора должна автоматически или вручную восстанавли-
ваться при восстановлении нормального уровня напряже-
ния в электрической сети.
158
Несимметричные перегрузки могут возникать, например, при не-
полнофазных' режимах каких-либо присоединений или при разрыве
фаз без к. з, в энергосистеме. Несиммегричные перегрузки характе-
ризуются наличием составляющих обратной последовательности в
токах статора. Проходящие в обмен ках статора токи обратной по-
следовательности создают магнитное поле, вращающееся по отноше-
нию к ротору с удвоенной скоростью, что вызывает нагрев стали ро-
тора, а следовательно, и изоляции его обмотки. Кроме того, нали-
чие этого магнитного поля может вызвать значительную механичес-
кую вибрацию машины. Поэтому длительная работа турбогенератора
при наличии токов обратной последовательности считается допусти-
мой только при значении этих токов, не превышающем 5% номи-
нального тока генератора [29], при условии, что полные токи стато-
ра не превышают номинального значения.
В течение ограниченного времени по условию нагрева ротора
генератора могут допускаться и значительно большие токи обратной
последовательности. Допустимое время работы генератора при на-
личии несимметричной перегрузки, полагая процесс нагрева ротора
адиабатическим, можно определить нз выражения
^доп= ~2~ = t * (8-3)
'лов
* \ jLdt
^доп J *
о
где А — постоянная величина, задаваемая заводом-изготовителем;
h, hi— соответственно относительные среднеквадратичное и мгно-
венное значения тока обратной последовательности.
Защита от несимметричных перегрузок генератора должна дей-
ствовать па его отключение с выдержкой времени, соответствующей
(8-3). На синхронных компенсаторах защита от несимметричных
перегрузок не предусматривается.
'Особенно большие перегрузки генераторов (как сим-
метричные, так и несимметричные) возникают при внеш-
них к. з., что вызывает необходимость установки защит от
внешних к. з., действующих с выдержкой времени па от-
ключение генератора. На синхронных компенсаторах за-
щиты от внешних к. з. нс предусматриваются.
Ненормальным режимом работы генераторов являет-
ся также их работа при повышении напряжения на вы-
водах статорных обмоток. Значительное повышение на-
пряжения на выводах статорных обмоток возможно при
внезапном сбросе нагрузки н после отключения с вы-
держкой времени электрически близких внешних к. з.
Такне режимы характерны в основном для гидрогенера-
торов, что и вызывает необходимость установки на них
максимальной защиты напряжения, действующей при
повышении напряжения до 150% номинального и выше
159
на отключение генератора и его развозбуждение с вы-
держкой времени 0,5 с.
Повышение напряжения на выводах статорной обмот-
ки для синхронного компенсатора не является характер-
ным, К ненормальным режимам работы синхронного ком-
пенсатора следует отнести исчезновение напряжения в
электрической сети. Синхронный компенсатор при этом
теряет питание и останавливается. Для предотвращения
подачи питания иа остановленный синхронный компенса-
тор при наличии на нем возбуждения предусматривается
защита минимального напряжения, которая при исчезно-
вении напряжения отключает синхронный компенсатор
от сети.
8-3. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
ОБМОТКИ СТАТОРА ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ К. 3.
Принципиальная схема защиты в трехфазном трсх-
системиом исполнении представлена на рис. 8-1. Зона
действия защиты, расположенная между группами траис-
Рис 8-1 Продольная днффе-'
ренциальная токовая защита
статора
форматоров тока ITT и 2ТТ,
включает в себя, как прави-
ло, помимо обмотки статора,
токопроводы, соединяющие
генератор или синхронный
компенсатор с выключате-
лем, При наличии реактор-
ного пуска синхронного ком-
пенсатора в зону действия
защиты включается также и
пусковой реактор.
Защита является абсо-
лютно селективной и не име-
ет выдержки времени. Ток
срабатывания защиты дол-
жен превышать максималь-
ное расчетное значение тока
небаланса, приведенного к
первичной цепи;
с,з *иб.тах,расч »
(8-4)
где — коэффициент отстройки, принимаемый обычно
1.2-1,4.
160
Максимальное значение тока небаланса /нб.тдх.расч
определяется в двух режимах: в режиме внешнего к. з.,
при котором первичный ток ТТ защиты имеет максималь-
иое значение, и в режиме асиихроииого хода.
В режиме внешнего к. з
нб,max,расч ~ &1>дн Е^к.вн.тах, (8-5)
где йЧДн — коэффициент однотипности, равный 0,5, если
трансформаторы тока групп ITT и 2ТТ однотипны (при
использовании разнотипных ТТ йода=1,0), е — полная
погрешность ТТ защиты, не превышающая в установив-
шемся режиме 0,1, k-&— коэффициент, учитывающий воз-
растание погрешности ТТ в переходном режиме.
• При использовании в качестве реле защиты токовых
реле kA принимается равным 1,5—2,0, а в случае приме-
нения реле типа РНТ с промежуточными насыщающими-
ся трансформаторами тока kA имеет значение 1,0—1,3.
Ток внешнего к. з , проходящий через защищаемую .
синхронную машину, имеет максимальное значение при
повреждении иа ее выводах и может быть определен как
/ — 1 I
„ 1 ном»
xd
(8-6)
где ха — свсрхпереходиое реактивное сопротивление за-
щищаемой машины; /[[ОМ — ее номинальный ток.
В режиме асинхронного хода
1нй,тах,рд<:ч. ~ ^одн &1у,тах^ (8’7)
где /у max — максимальный уравнительны ток, определя-
емый прн сдвиге фаз между эквивалентной э д. с сис-
темы Ес и э д. с. генератора Eq, равном 180°, т. е.
т „ ~h
L * У, max — -
Ха
(8-8)
Прн определении тока срабатывания защиты исполь-
зуется большее из двух расчетных значений тока неба-
ланса. Ток срабатывания защиты оказывается обычно
меньшим номинального тока защищаемой машины. Поэ-
тому при обрывах проводов в цепях циркуляции защиты
последняя может срабатывать ложно. Однако вероят-
ность таких обрывов мала, и никаких специальных мер
по предотвращению ложного срабатывания защиты в
этих случаях обычно не предусматривается.
11—529
161
Защита в большинстве случаев оказывается доста-
точно чувствительной н реагирует на все междуфазные
к з. в обмотках статора защищаемой машины. Чувстви-
тельность защиты проверяется при двухфазном к. з. иа
выводах защищаемой машины, отключенной от сети.
Коэффициент чувствительности прн этом должен быть
ие менее двух.
Продольная дифференциальная токовая защита уста-
навливается на всех генераторах и синхронных компенса-
торах мощностью более 1 МВт. На машинах малой н
средней мощности допускается установка защиты в двух-
фазном двухсистемном исполнении, если имеется специ-
альная защита, реагирующая иа двойные замыкания на
землю, одно из которых возникло в статорной об мот
машины.
8-4. ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
ОТ ЗАМЫКАНИИ МЕЖДУ ВИТКАМИ ОДНОЙ ФАЗЫ ОБМОТКИ
СТАТОРА
Защита выполняется обычно в одпосистемном испол-
нении (рис 8-2). Реле защиты РТ через фильтр тока ос-
новной гармоники ФТ подключается к трансформатору
тока ТТ, установленному в цепи, соединяющей нейтрали
параллельных ветвей обмоток статора. Фильтр ФТ необ-
ходим для отстройки от высших гармонических, кратных
трем, наличие которых обусловлено несинусоидальной
формой кривой индукции в воздушном зазоре машины.
При отсутствии к. з в обмотках статора ток основной
гармоники в ТТ, а Следовательно, и в РТ отсутствует, так
как суммы токов трех фаз параллельных ветвей равны
нулю. При возникновении витковых к. з. (например, Л/)
или междуфазиых к з. в обмотках статора (например,
К2) между нейтралями параллельных ветвей обмоток
статора протекает уравнительный ток, появление которо-
го и приводит к срабатыванию защиты. Таким образом,
защита реагирует иё только на витковые, ио и на между-
фазиые к. з. Однако она не может заменить продольную
дифференциальную токовую защиту машины, так как не
реагирует иа к. з. на ее выводах (например, ЛЗ).
Защита обладает абсолютной селективностью, поэто-
му выдержки времени иа ее срабатывание не требуется.
Ток срабатывания защиты должен определяться как
^с,э ~ ^нб,max,расч •
162
Однако аналитическое определение величины
/нб.тах.расч, которая представляет собой сумму высших
гармонических нулевой последовательности, проходящих
в РТ из-за несовершенства ФТГ является затруднитель-
ным Поэтому иа основании опытных данных ток сраба-
Рис 8-2 Поперечная дифференциальная токовая защита
тываиия защиты принимается обычно равным 20—30%
номинального тока защищаемой машины. Номинальный
ток ТТ защиты принимается равным примерно 25% но-
минального тока машниы
При малой доле замкнувшихся витков защита может отказывать
в действии Защита может срабатывать при витковых замыканиях
обмотки возбуждения, так как при этом нарушается симметрия маг-
нитного поля машины и может появиться уравнительный ток между
нейтралями параллельных ветвей обмоток статора
8-5. ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ
В ЦЕПИ СТАТОРА
Генераторы и синхронные компенсаторы работают,
как уже упоминалось, в системах с изолированной ней-
тралью, заземленной через дугогасящий реактор. Поэто-
му для выполнения защиты машины от однофазного за-
мыкания иа землю в обмотках статора используются те
же принципы, что и для защит от замыканий на землю
линий электропередач (см. § 6-1).
11*
163
Генераторы ТЭЦ работают, как правило, на сборные
шины. Синхронные компенсаторы часто также подклю-
чены к шинам подстанции, от которых получает питание
большое количество потребителей. В этом случае генера-
торы и синхронные компенсаторы обычно защищаются от
однофазных замыканий на землю в обмотках статора то-
ковыми защитами нулевой последовательности. При
токе замыкания на землю, превышающем 5 А, защита
должна действовать на отключение машины. С целью
обеспечения необходимой чувствительности защиты ис-
пользуется обычно трансформатор тока нулевой последо-;
вательности (ТНП) с подмагничиванием его сердечника-
переменным током, источником которого является транс-
форматор напряжения.
ТНП конструктивно представляет собой два магнито-
провода, внутри которых проходят кабели или токопро-
воды, соединяющие защищаемую машину со сборными
шинами. Они выполняют роль первичных обмоток ТНП,
На каждом магнитопроводе располагаются обмотки и
wn. Обмотки to2, соединенные последовательно согласно,
выполняют роль вторичной обмотки ТНП, а обмотки ton,
соединенные последовательно встречно, используются для
подмагничивания магнитопроводов (сердечника ТНП)<
Роль измерительного органа защиты выполняет макси-*
мальное реле тока 2РТ (рис. 8-3). Защита не должна сра-
батывать при замыканиях на землю вне защищаемой ма-
шины, когда через обмотку 2РТ проходит ток
/р =/с.м.бр + (8-10)
где /с,м,бр — бросок емкостного тока защищаемой маши-
ны при внешнем замыкании на землю; /Нб — ток небалан-
са.
, Ток небаланса имеет две составляющие
Дтб ^нб.нес + ^нб.п • s (8-11)
Первая составляющая 7Нб,нес обусловлена несиммет-
рией первичных обмоток ТНП (токопроводов защищае-
мой машины) относительно сердечника ТНП и имеет
тем большее значение, чем больше ток в первичных об-
мотках ТНП. Вторая составляющая /Нб,п связана с под-
магничиванием ТНП.
Ток /р может иметь большое значение при одновре-
менном возникновении однофазного замыкания и к. з. во
164
внешних цепях. Отстройка тока срабатывания защиты от
максимального значения /р привела бь! к значительному
загрублению защиты, что нежелательно. Обычно с
целью повышения чувствительности, защиты ее действие
при внешних к. з. блокируется и ей придается выдержка
времени 0,54-1 с.
Рис. 8-3. Токовая защита нулевой последовательности от однофаз-
ных замыканий иа землю в цепи статора.
Блокировка действия защиты осуществляется с по-
мощью промежуточного реле ЗРП (рис. 8-3), получающе-
го питание, от реле измерительного органа защиты ма-
шины от внешних к. з. (см. § 8-6). Выдержка времени
задается с помощью реле времени 4РВ. Наличие выдер-
жки времени позволяет ориентироваться при выборе то-
ка срабатывания защиты не на пиковое значение броска
емкостного тока защищаемой машины при внешнем за-
мыкании на землю, а на установившееся значение этого
тока. ' * ‘
Ток срабатывания защиты выбирается по выражению
7е-3>Т’^4с.м + ^с4б.бл). (SJ2)
«в
где — коэффициент возврата реле 2РТ\ lCtVl — уста-
новившееся значение емкостного тока защищаемой ма-
шины при внешнем замыкании на землю; /нб,бл — ток не-
165
баланса при токе нагрузки генератора после ликвидации
внешнего к. з., равном в наихудшем случае току возвра-
та реле блокировки; £отс — коэффициент отстройки, учи-
тывающий броски емкостного тока машины при переме-
жающемся внешнем замыкании на землю (при наличии
выдержки времени 0,54-1 с k0TC — 24-3); &Отс —коэффи-
циент отстройки, учитывающий неточность расчета
Л1б,бЛ (^ОТС 1,3— 1,5).
Ток небаланса /Нб,бл, учитываемый в (8-12), является
током небаланса, приведенным к первичной цепи ТНП.
Методика его определения дана в [30].
Учет коэффициента возврата реле 2РТ при расчете /с,3 обуслов-
лен необходимостью обеспечения возврата этого реле после ликвида-
ции внешнего к. з. Требуемая чувствительность защиты может быть
достигнута, как правило, лишь при условии согласования сопротив-
ления нагрузки ТНП и его внутреннего сопротивления со стороны
вторичной обмотки.
Когда ток срабатывания защиты, определенной по (8-12), пре-
вышает 5 А, защита для уменьшения ее тока срабатывания может
быть выполнена направленной.
Трансформаторы тока защиты устанавливаются непосредствен-
но у выводов статора защищаемой машины с целью исключения из
зоны ее действия токопроводов, однофазное замыкание *на землю
которых не является опасным и не требует быстрого отключения.
Защита от однофазных замыканий на землю в цепи
статора дополняется обычно второй «грубой» ступенью
(реле 1РТ и 5РУ на рис. 8-3), назначением которой явля-
ется отключение без выдержки времени защищаемой ма-
шины при двойных замыканиях на землю, когда одно
место замыкания находится во внешней сети, а второе за-
мыкание произошло в обмотках статора машины. Ток сра-
батывания реле второй ступени защиты должен превы-
шать максимальное значение броска тока в реле при
внешних повреждениях, т. е. ток срабатывания защиты
должен удовлетворять условию
^с,з2 > ^отс ^С,м + ^отс Лб,к » (8-13)
где /Нб,к — первичный ток небаланса в условиях внешне-
гож. з.
Так как определение /Нб,к оказывается затруднитель-
ным, рекомендуется принимать /с,з2 —Ю0 А. Опыт экс-
плуатации показывает, что условие (8-13) выполняется
при этом с большим запасом.
В-6. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ОТ ВНЕШНИХ К. 3.
И ПЕРЕГРУЗОК
Внешние к. з. являются опасными для генератора и
неопасными (с точки зрения перегрева обмоток из-за
прохождения больших токов) для синхронного компенса-
тора. Поэтому на синхронных компенсаторах защиты от
внешних к. -з. не предусматриваются.
Назначением защиты генератора от внешних к. з. яв-
ляется отключение генератора при к. з. на сборных ши-
нах электростанции и на отходящих от них присоедине-
ниях, которые, как правило, имеют свои зашиты. Поэто-
му защита генератора от внешних к. з. является резерв-
ной и должна работать только при отказе защит или
выключателей этих элементов. Кроме того, защита гене-
ратора от внешних к. з. резервирует продольную диффе-
ренциальную токовую защиту генератора при между-
фазных к. з. в нем. Защита от внешних к. з. действует на
отключение и развозбуждение генератора, поэтому она
не должна реагировать на перегрузки и качания генера-
тора.
В настоящее время в качестве защиты генератора от
внешних к. з. используется максимальная токовая защи-
та с пуском по напряжению или токовая защита обрат-
ной последовательности, имеющая приставку, действую-
щую при трехфазном к. з. Последняя защита является
более совершенной, так как реагирует на появление тока
обратной последовательности, наличие которого вызыва-
ет перегрев стали и обмоток ротора. Эта защита наряду
с функциями защиты от внешних к. з. выполняет также
функции защиты генератора от перегрузки током обрат-
ной последовательности.
Допустимое время работы генератора при наличии тока обрат-
ной последовательности зависит от значения этого тока согласно
(8-3). Поэтому идеальной защитой генератора от перегрузки током
обратной последовательности; позволяющей полностью использовать
перегрузочную способность генератора, является токовая защита
обратной последовательности с зависимой от этого тока выдержкой
времени, равной или несколько меньшей — (рис. 8-4, б).
Такие защиты существуют (см„ например, [32]), однако’онн явля-
ются достаточно сложными по исполнению и. применяются в насто-
ящее время только на генераторах большой мощности (больше
150 МВт) с непосредственным охлаждением проводников их обмо-
ток. На генераторах ТЭЦ используется обычно токовая защйта об-
ратной последовательности со ступенчатой характеристикой выдерж-
ки времени.
Г67
На рис. 8-4, а представлена принципиальная схема
четырехступенчатой токовой защиты обратной последо-
вательности, имеющей приставку, которая реагирует на
симметричные перегрузки и трехфазныс к. з.
Измерительные органы ступеней защиты (токовые
реле 1Р1\ 2РТ, ЗРТ и 4РТ) подключены к выходу фильт-
ра тока обратной последовательности ФТОП, получаю-
щего питание от ТТ, установленных на выводах генерато-
ра к нейтрали, что позволяет рассматриваемой защите
реагировать на междуфазные к. з. в статоре генератора.
Первая ступень защиты (1РТ, 9РВ, 12РУ) предназна-
чена для отключения генератора при к. з. на его выводах.
Ток срабатывания первой ступени с учетом ее назначе-
ния выбирается из условия
/(2)
(8-И)
«отс
где /1к — ток обратной последовательности, проходящий
в генераторе при двухфазном к. з. на его выводах; &отс—
коэффициент отстройки, численно равный коэффициент^
чувствительности этой ступени защиты при двухфазном
к. з. на выводах генератора.
Коэффициент чувствительности первой ступени защи-
ты должен быть не ниже 1,2. . . ~
Время срабатывания первой ступени не должно пре-
вышать допустимого по условию перегрева ротора при
двухфазном к. 3. на выводах генератора (см. рис. 8-4,6).
Кроме того, оно должно быть согласовано с временем
срабатывания защит присоединений, отходящих от шин
электростанции, т. е. находящихся в «зоне резервирова- *
ния» рассматриваемой защиты.
Назначением второй ступени защиты (2РТ, 10РВ,
13РУ) является резервирование защит элементов, при-
соединенных к сборным шинам при несимметричных к. з.
Ток срабатывания этой ступени выбирается из условия
достаточной чувствительности при несимметричных к. з.
на указанных присоединениях
= (8-15)
КОТС
где Лк,минимальное значение тока обратной после-
довательности, проходящего в генераторе при к. з. иа
присоединениях, защиты которых резервируются.
168
Ha выездное промежуточное реле
Рис. ^-4. Токовая защита от внешних к. э. н от перегрузки.
?~схема заи*иты; б — характеристика токовой защиты обратной последова-
169
Время срабатывания второй ступени не должно пре-
вышать допустимого времени существования тока об-
ратной последовательности, равного току срабатывания
первой ступени защиты. Если /“з оказывается малым и
селективность резервирующей и резервируемых защит
не обеспечивается, необходимо уменьшать зону резерви-
рования путем увеличения /с!3.
Третья ступень защиты (ЗРТ, HPBt 14РУ) должна
ртключать генератор при наличии токов обратной после-',
довательности, допустимое время существования кото-
рых относительно мало (меньше 2—3 мин) и недостаточ-
но для ликвидации перегрузки вручную оперативным
персоналом станции. Время срабатывания третьей сту-
пени не должно превышать допустимое время существо-
вания /2“/с^з-
Четвертая ступень защиты (4РТ) действует на сигнал,
предупреждая оперативный персонал электростанции о
появлении тока обратной' последовательности, превыша-
ющего длительно допустимый. Ток срабатывания четвер-
той ступени, защиты >
/IV = Л (8-16)
i с,з 2тсх,дл,доп \ '
и принимается обычно равным 5—10% номинального то-
ка защищаемого генератора.
Время срабатывания четвертой ступени должно быть
выбрано возможно меньшим, чтобы оперативный персо-
нал был предупрежден о возникновении опасной пере-
грузки генератора как можно быстрее и успел за допусти-
мое время этой перегрузки (в худшем случае 2—3 мин)
ликвидировать возникшую несимметрию или разгрузить
генератор. Однако /с,з должно превышать время отключе-
ния к. з.’В электрической сети. Обычно /^принимается
равным 5—9 с.
Рассмотренная защита получила широкое распрост-
ранение. К недостаткам защиты следует отнести большое
количество используемых реле, а также неполное исполь-
зование перегрузочной способности защищаемого гене-
ратора, что ясно из рис. 8-4, б.
На генераторах мощностью 60 МВт и меньше допустимо уста-
навливать защиту в упрощенном двухступенчатом варианте, причем
ток срабатывания первой ступени принимается равным току сраба-
тывания третьей ступени, а время срабатывания — времени сраба-
170
тывания первой ступени рассмотренной ^етырехступеичатой защиты.
Вторая ступень упрощенной защиты выполняет функции четвертой
ступени рассмотренной защиты и имеет те же параметры срабаты-
вания [28].
Токовая защита обратной последовательности не ре-
агирует на трехфазные к. з. и симметричные перегрузки.
Поэтому в состав защиты вводится дополнительно мак-
симальная токовая защита и токовая защита от симмет-
ричных перегрузок генератора с включением измеритель-
ных реле на полный ток одной из фаз (5РТ и 7РТ на
рис. 8-4).
Задачей максимальной токовой защиты является от-
ключение генератора при трехфазных к. з. Защита не
должна реагировать на перегрузки генератора, в то же
время для увеличения чувствительности ее ток срабаты-
вания должен иметь небольшое значение. Защита выпол-
няется с пуском по напряжению (реле 6РН). Ток сраба-
тывания защиты от трехфазиых к. з. выбирается равным
/I =_Мс_/ (8-17)
С.Э.СИМ А Г,НОМ * ' /
«в
где /г,ном — номинальный ток защищаемого генератора;
AqTC коэффициент отстройки, принимаемый равным
1,1—"1,2; — коэффициент возврата реле 5РТ,
Напряжение срабатывания принимается обычно рав-
ным (0,5—0,6) ,ном* При этом пусковой орган минималь-
ного напряжения (реле 6РН) возвращается в исходное
состояние после отключения к. з. в сети в условиях рабо-
ты сети с минимальным рабочим напряжением и не реа-
гирует на самозапуски двигателей нагрузки. Реле 6РН
включается на одно из междуфазных вторичных напря-
жений генераторного трансформатора напряжения TH,
Чувствительность защиты от трехфазных к. з. проверяет-
ся по току и напряжению при трехфазных к. з. на сборных
шинах генераторного напряжения и иа элементах систе-
мы, присоединенных к этим шинам.
Время срабатывания выбирается по условию селек-
тивности рассматриваемой защиты и защит присоедине-
ний, получающих питание от шин генераторного напря-
жения, т. е.
/I =/ + М (8-18)
с,з,сим пр, max 1 ' '
171
Защита от симметричных перегрузок действует на
сигнал, предупреждая оперативный персонал о перегруз-
ке генератора. Ее ток срабатывания выбирается равным
А,™.. (8-1Я
где &о-тс= 1,05.
Время срабатывания защиты от симметричных пере-
' грузок генератора должно превышать время срабатывав
ния защиты от внешних к. з.
Аналогичная защита от симметричных перегрузок
устанавливается также на синхронных компенсаторах^
При наличии длительной перегрузки (1 мин и более) за-
щита действует на разгрузку компенсатора и на сигнал.
8-7. МИНИМАЛЬНАЯ ЗАЩИТА НАПРЯЖЕНИЯ СИНХРОННОГО
КОМПЕНСАТОРА
При исчезновении питающего напряжения синхрон*'
ный компенсатор останавливается. Во избежание после-
дующей подачи напряжения на'остановленный компенса-
тор при наличии на нем возбуждения минимальная за-
щита напряжения отключает компенсатор от сети или
подготовляет его к самозапуску.
Время срабатывания защиты должно превыщать наи-
большие выдержки времени защит элементов электри-
ческой сети, в которой работает синхронный компенса-
тор, так как исчезновение (глубокая посадка) напряже-
ния может быть вызвано к.з. в сети (/с,з~8-?10 с).
Измерительный орган защиты выполняется двумя ми-
нимальными реле напряжения,.включенными на разные
трансформаторы напряжения или на разные междуфаз-
ные напряжения одного и того же трансформатора на-
пряжения. Такое выполнение измерительного органа
уменьшает вероятность ложного срабатывания защиты
при перегорании предохранителей во вторичных цепях
трансформатора напряжения. Напряжение срабатыва-
ния защиты принимается обычно 40% номинального на-
-пряжения синхронного компенсатора.
8-8. ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Замыкание на землю в одной точке цепи возбуждения
может быть обнаружено с помощью постороннего источ-
ника питания, один полюс которого подключен к зазем-
172
пенному валу машины, а второй — через сопротивление к
обмотке возбуждения. В качестве такого источника час-
то используется трансформатор напряжения, а в качест-
ве сопротивления — конденсатор.
Время срабатывания защиты выбирается большим времени зату-
хания переходных процессов в цепях возбуждения, которые могут
вызывать срабатывание реле защиты. Из-за этого защита не реаги-
рует на кратковременные (случайные) замыкания цепи возбуждения
на землю. Защита действует на сигнал.
Для увеличения чувствительности защиты (уменьшения тока,
обусловленного при отсутствии замыкания на землю емкостью обмот-
ки возбуждения), желательно использовать источник питания пони-
женной частоты.
Защита от замыкания на землю во второй точке обмотки воз-
буждения является общей для группы генераторов или для всех
генераторов электростанции н подключается к тому генератору? в
цепи возбуждения которого возникло замыкание на -землю в одной
точке, но его необходимо на некоторое время -оставить в работе.
Защита представляет собой четырехплечий уравновешенный мо-
стик, в диагональ которого включена обмотка реле тока. Плечами
мостика являются части обмотки возбуждения, расположенные по
обе стороны от места замыкания на землю, и плечи потенциометра,
подключенного параллельно обмотке возбуждения. Положение движ-
ка потенциометра подбирается g помощью милливольтметра таки^
образом, чтобы его потенциал равнялся потенциалу точки замыкания
на землю, т. е. потенциалу вала ротора защищаемой машины. После
этого защита вводится в работу.
При появлении второго замыкания на землю равновесие мости-
ка нарушается, в его диагонали проходит ток и реле срабатывает.
Проходящий в реле ток тем больше, чем дальше расположено место,
второго замыкания от’места первого замыкания.
Время срабатывания защиты устанавливается обычно равным
0,5—1,0 с, что предотвращает ложную работу защиты при наличии
переходных процессов в цепи возбуждения, например при внешних4
к. з., а также нежелательное действие защиты при кратковременных
замыканиях.
8-9. ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРОВ МАЛОЙ
МОЩНОСТИ
Рассмотренные выше устройства защиты характерны
для генераторов, имеющих мощность десятки и сотни ме-
гаватт и устанавливаемых на ТЭЦ. Однако в системах
электроснабжения могут использоваться и менее мощ-
ные генераторы, например генераторы передвижных ди-
зельных электростанций, оборудованные более простыми
устройствами защиты.
В соответствии с [29, 40] в качестве основной защи-
ты генераторов с напряжением до 1000 В должна исполь-
зоваться тбковая защита, осуществляемая с использова-
173
нием плавких предохранителей, автоматических выклю-
чателей или реле косвенного действия. Параметры сраба-
тывания токовой защиты на плавких предохранителях
или автоматических выключателях выбираются с соблю-
дением условий, рассмотренных в гл. 2.
Максимальная токовая защита генераторов с напря-
жением до 1000 В выполняется на реле косвенного дейст-
вия лишь в том случае, если в качестве коммутационно-
го аппарата используется контактор с защелкой.
Чувствительность защиты проверяется для случая
к. з. на выводах одиночно работающего генератора. Ко-
эффициент чувствительности должен быть не менее 1,2..
При работе генератора с электрической сетью, имею-
щей другие источники питания, на генераторе, кроме
максимальной токовой защиты, устанавливается токовая
отсечка, ток срабатывания которой должен удовлетво-
рять условиям:
Л,з Йотс1J /о
/ >* / (- 0)
2 с, з ^отс2 1 кач’
где /к,max — максимальный ток, протекающий в статоре
генератора при внешнем к. з.; /Кач— максимальный ток,
протекающий в генераторе при выходе его из синхрониз-
ма. Значение йОтс1 принимается равным 1,3 при исполь-
зовании реле типа РТ-40 и 1,6—1,8 при использовании
реле типа РТ-80. Коэффициент чувствительности отсеч-
ки должен быть не менее 2 при к. з. на выводах генерато-
ра. Для токовой отсечки и максимальной токовой защи-
ты используются трансформаторы тока, устанавливае-
мые на шинных выводах генератора.
Защита генератора от междуфазных к. з. реагирует
также и на однофазные короткие замыкания, так как
нейтрали генераторов в сети с напряжением до 1000 В
обычно заземлены. Однако при наличии защиты от меж-
дуфазных к. з. не в трехфазйом исполнении требуется
установка специальной защиты от однофазных коротких
замыканий, в качестве которой обычно используется то-
ковая защита нулевой последовательности с включени-
ем трансформатора тока в нулевой провод, соединяющий
нейтраль генератора с землей.
Специальная защита от перегрузки генератора низко-
го напряжения не предусматривается.
На генераторах малой мощности (до 1 МВт) напря-
жением выше 1000 В в качестве защиты от междуфазных
<174
3 в обмотках статора предусматривается токовая от-
сечка, а в случае недостаточной ее чувствительности
(коэффициент чувствительности при к. з. на выводах ге-
нератора меньше 2) —продольная дифференциальная
токовая защита. Как отсечка, так и дифференциальная
’защита используются, как правило, в двухфазном испол-
нении. В качестве реле защиты используются токовые
реле косвенного действия типа РТ-40 или прямого дей-
ствия типа РТМ.
Ток срабатывания продольной дифференциальной за-
щиты выбирается в соответствии с выражением (8-4).*
Ток срабатывания защиты должен удовлетворять так-
же условию
3 ^ОТС ^Г,НОМ*
выполнение которого предотвращает отключение гене-
ратора в случае обрыва проводов, соединяющих вторич-
ные обмотки трансформаторов тока защиты.
На одиночно работающих генераторах считается до-
пустимым использовать в качестве защиты от между-
фазных к. з. максимальную токовую защиту, устанавли-
ваемую со стороны выводов генератора к нейтрали. В
случае невозможности установки трансформаторов тока
со стороны нейтрали генератора для защиты генератора
от междуфазных к. з. может быть использована мини-
мальная защита напряжения с тремя реле напряжения.
Обмотки этих реле подключаются на-разные междуфаз-
ные напряжения одного и того же трансформатора на-
пряжения. Напряжение срабатывания такой защиты вы-
бирается из условия ее недействия при потере возбуж-
дения генератора и принимается обычно равным 0,5—
0,6 номинального значения генераторного напряжения.
Время срабатывания защиты выбирается большим вре-
мени срабатывания защит элементов сети, на которую
работает генератор.
На генераторах, оборудованных продольной дифференциальной
токовой защитой, также устанавливается максимальная токовая за-
щита со стороны нейтрали генератора, которая выполняет функции
защиты от внешних к. з. и резервирует дифференциальную защиту.
Кроме того, на генераторах рассматриваемого класса устанавлива-
ются также токовая защита нулевой последовательности от одно-
фазных^ замыканий на землю с использованием трансформатора тока
нулевой последовательности без подмагничивания его сердечника,
действующая на отключение генератора, и защита от симметричных
перегрузок, действующая на сигнал.
176
8-10. РЕЛЕЙНАЯ ФОРСИРОВКА ВОЗБУЖДЕНИЯ
При снижении напряжения на шинах синхронного ге-*
нератора или компенсатора, например, в результате к. з.
в сети появляется опасность выхода синхронной машины
из синхронизма. С целью предотвращения появления*
асинхронного хода синхронные генераторы и компенсато-
ры оборудуются устройством релейной форсировки воз-
буждения, которое при уменьшении напряжения на ши-
нах машины резко увеличивает ток возбуждения до по-
толочного значения. При этом происходит’быстрое уве-
личение синхронного момента машины, что уменьшает
вероятность ее выхода из синхронизма.
Напряжение срабатывания релейной форсировки 1/с,ф
выбирается из условия возврата реле напряжения при
восстановлении напряжения
= -ин™....(0,8 -нн 0,85) [7НОМ. (8-21)
&В &ОТС
8-11. УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН
Напряжение является показателем качества электро-
энергии. Отклонение напряжения в ту или иную сторону
от номинального значения ухудшает условия работы
энергоприемников потребителей: снижается производи-
тельность механизмов и к. п. д.^установок, сокращается
срок службы электрооборудования, появляется брак вы-
пускаемой продукции и пр. Поэтому в нормальном ре-
жиме работы системы электроснабжения допускается
отклонение напряжения у потребителей не более чем на
±5% номинального значения. В ненормальном (после-
аварийном) режиме работы допускается снижение на-
пряжения не более чем на 10% номинального.
Напряжение зависит от различных факторов, воздействуя иа ко-
торые, можно поддерживать заданное его значение.
Напряжение на шинах низшего напряжения приемной подстанции
(рис. 8-5), т. е. на шинах, от которых получают питание потребители:
/ PR +Qx \ 1
t/п « [иас---Д V -------, (8-22)
\ vac / лт
где U3c — напряжение на шннах высшего напряжения электростан-
ции; Р; Q—активная и реактивная мощности, поступающие к под- '
станции; R, х— активное и реактивное сопротивления линии и транс-
форматора Т приемной подстйиции; пт — коэффициент трансформа-
ции понижающего трансформатора.
176
Из (8-22) видно, что напряжение Ua зависит от напряжения на
шинах электрической станции, перетока мощности по ВЛ и коэффи-
циента трансформации трансформатора . понижающей подстанции.
Следовательно, воздействовать на напряжения у потребителей мож-
но, изменяя: напряжение иа шинах электростанции U3C; реактивную
мощность Q, передаваемую по линии; коэффициент трансформации
пт трансформатора понижающей подстанции.
Рис. 8-5. Схема электроснабжения.
Регулировать значение С/Эс и изменять значение Q можно путем
изменения * тока возбуждения генераторов станции, а также синх-
ронных * компенсаторов и двигателей системы электроснабжения. Эту
задачу выполняют устройства автоматического регулирования воз-
буждения (АРВ) синхронных машин.
Устройства АРВ могут быть выполнены на основе
двух различных принципов автоматического управления.
Первый принцип предусматривает создание разомкнутой
автоматической системы управления, т. е. системы управ-
ления по возмущающему воздействию. Применительно к
АРВ синхронных машин это означает, что возбуждение
машины автоматически изменяется в зависимости от зна-
чения параметра возмущающего воздействия, влияющего
на напряжение на зажимах машины. Если, например, в
качестве возмущающего воздействия на вход АРВ пода-
ется значение тока статора /ст, то АРВ носит название
токового компаундирования. Если в качестве возмущаю-
щих воздействий учитываются ток статора и фазовый
сдвиг тока статора по отношению к напряжению статора
.А .
Ф==[/ст/ст, то имеет место фазовое компаундиро-
вание синхронной машины.
В соответствии со вторым принципом АРВ выполняет-
ся в виде замкнутой автоматической системы управления
и представляет собой регулятор пооткло не н и ю
напряжения, который реагирует на разность факти-
ческого и заданного значений напряжения статора син-
хронной машины Uел—^ст,з и, воздействуя на систему
12—529
177
возбуждения машины, стремится свести эту разность к
нул^о.
АРВ синхронной машины представляет собой, как
правило, совокупность устройства компаундирования и
регулятора (или корректора) напряжения.
а) Устройство токового компаундирования
Напряжение на шинах синхронной машины U&r, ра-
ботающей с перевозбуждением, т. е. в режиме выдачи ре-
активной мощности, снижается по мере увеличения тока
статора /ст.
Рнс. 8-6. Принципиальная схема токового компаундирования (а);
характеристика компаундирования (б) и внешняя характеристика
(в) компаундированной машины.
Поскольку значение э. д. с. Еч пропорционально току
возбуждения, то, изменяя в соответствии с изменением
тока статора ток ротора машины, можно поддерживать
значение С/ст приблизительно постоянным независимо от
значения тока /Ст. Эту задачу и выполняет устройство
токового компаундирования (УТК) (рис. 8-6), которое
состоит из выпрямителя ВК, подключенного через транс-
форматор ТВ ко вторичным цепям трансформаторов то-
ка ТТ, установленных в статорной цепи регулируемой
синхронной машины. Напряжение иа выходе ТВ может
изменяться путем изменения установочного сопротивле-
178.
ния /?у. Выпрямленное напряжение UK на выходе устрой-
ства токового компаундирования, пропорциональное то-
ку статора, подводится к обмотке возбуждения овв воз-
будителя Вб,
Зависимость напряжения (7К от тока /ст регулируе-
мой машины может быть представлена следующим об-
разом:
<4_ - (8.23|
где /Ci, птв—коэффициенты трансформации соответст-
венно ТТ и ТВ; $bk=Uk/UTb — коэффициент преобразо-
вания выпрямителя S/C.
Если
> /?о,в,в /в,о» (8-24)
где /?о,в,в — сопротивление oee; IBf0 — ток в овв, соответ-
ствующий холостому ходу синхронной машины, то в об-
мотке возбуждения возбудителя проходит ток /к от уст-
ройства токового компаундирования.
Зависимость тока /р ротора от тока /с-т статора (на-
грузки) компаундированной синхронной машины (ха-
рактеристика компаундирования), а также внешняя ха-
рактеристика Uc^—f (/с-т) компаундированной синхрон-
ной машины, поясняющие работу УТК, представлены на
рис. 8-6, б, в. Точка а этих характеристик соответствует
значению тока статора /п.к, при котором начинает выпол-
няться условие (8-24). Ток /п,к называется порогом ком-
паундирования и изменяется с изменением сопротивле-
ния установочного резистора /?у. При токе нагрузки ком-
паундированной машины /ст<С/п,к ее внешняя характе-
ристика совпадает с внешней характеристикой некомпа-
ундированной машины, а /р=/р,о-
Необходимые изменения характеристики компаунди-
рования и внешней характеристики компаундированной
машины могут производиться путем изменения сопро-
тивлений /?р>в (изменение /р,о и 1/с-т.о) и Ry (изменение
/п,к), т. е. регулировочного и установочного сопротивле-
ний. Однако внешняя характеристика компаундирован-
ной машины- нестабильна и изменяется с изменением
. А .
coscp, где ф=/7ст/ст. Следовательно, cosqp наряду с /с-т
является возмущающим воздействием, которое в токовом
компаундировании не учитывается.
12*
179
Настройка устройства токового компаундирования,
при которой напряжение компаундированной машины
ири а также ери ^*=7^ 1К,М и cosq>«^cos^lK)M
равно номинальному напряжению U€т,т1ом машины, носит
название нормальной настройки компаундирования.
Основным достоинством устройства токового компа-
ундирования является его быстродействие, т. е обеспече-
ние быстрого возрастания го-ка возбуждения при глубо-
ких посадках напряжения, вызванных к, з. Недостаток
заключается в малой точности регулирования напряже-
ния, так как данным АРВ не учитывается ряд факторов
(например коэффициент мощности, частота вращения ро-
тора, сопротивление обмотки ротора и др.), существенно
влияющих на напряжение.
б) Электромагнитный корректор напряжения
Напряжение на шинах компаундированной синхрон-
ной машины нестабильно и зависит от тока статора и от
седф. Поэтому устройство токового компаундирования
дополняется корректором
напряжения, т. е регуля-
тором по отклонению на-
пряжения, задачей кото-
рого является поддержа-
ние стабильного значения
напряжения на шинах
компаундированной ма-
шины. -
Широкое распростра-
нение получил электро-
магнитный корректор на-
пряжения, выполненный
на статических элементах
(Дроссели, трднеформдто-
ры, магнитные усилители,
Рис 8-7. Структурная схема элек-
тромагнитного корректора напря-
жения
полупроводниковые вен-
тили и пр.), что обеспечивает его высокую- надежность
ВД.
Структурная схема электромагнитного корректора
(рис, 8-7) содержит измерительный; орган ИО, магнит-
ный усилитель.Ш7 и выпрямитель Bt на выход которого
подключается обмотка возбуждения возбудителя озв.
При отклонении напряжения синхронной машины от за-
ISO
данного значения на выходе ИО появляется сигнал, про-
порциональный значению этого отклонения, МУ .усилива-
ет этот сигнал, и выходной ток корректора /рег изменяет
возбуждение синхронной машины в сторону уменьшения
отклонения напряжения. Корректор напряжения по прин-
ципу действия является статическим, т. е, он уменьшает
отклонение регулируемого напряжения синхронной ма-
шины от заданного1 значения, но не сводит его к нулю,
так как выходной ток корректора имеет место только при
наличии сигнала на выходе ИО.-
Статизм регулирования уменьшается с увеличением
коэффициента усиления усилителя регулятора (в нашем
случае Л1У корректора). Однако при этом возникает опас-
ность неустойчивой работы регулятора, что может по-
требовать принятия специальных мер по сохранению
устойчивости регулирования, например введения в схему
регулятора звена гибкой отрицательной обратной связи
(см., например, [34]).
Измерительный орган ЯО рассмагриваемого корректора состоит
из двух элем еш он — линейного ЛЭ и нелинейного подключен-
ных к выходу установочного автотрансформатора УДГ, получающего
питание от трансформатора напряжения TH.
Выходным си!налом ИО является разность токов
/ио — /дэ /НЭ 25)
Значение /ltQ=0 только при единственном значении
При Лю^®’ 13 Лю<-®-
Ток /ии является входным сигналом Л)У, Вели выходной ток
корреюсра iPS- уведи ывйет возбуждение синхронной машины, то
корректор напряжение носит название coi засованного В про*
тивном случае корректор называется противоэкличенпым.
Совокупность согласованного к протпропключенного корректоров
образует регулятор надряжения. называемый двухсистемным кор-
ректором, При двулстйлемнем корректоре целесообразна нормаль-
ная оетройка ком пнуи а крова ни я синхронной машины
АРВ, ггредстаиля киане совокупность устройства токового ком-
даундкроваяия и электромагнитного корректора напряжения, нашли
широкое применение Ими обор у дуто гея синхронные машины, имею-
щие э гектромдшинную систему возбуждения. К ним Относятся тур-
богенерачоры и гидрогенераторы мощностью до 100 МВт, а также
синхронные компенсаторы мощностью до 75 MB-А. Для турбогене-
раторов используется токовое компаундирование с односис темным,
а для гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, как правило,
с друхсистемным корректором {35),
а) Устройство фазового компаундирования
Устройств© фазового’(точнее, тонового фазового)
Компаундц₽ова»«я наменяет ноцфуждеа-ие синхронной
ад
машины в зависимости от двух возмущающих воздейст-
вий: тока статора и фазового сдвига между напряжени-
ем и током статора.
Принципиальная схема токового фагового компаун-
дирования [36], а также векторная диаграмма токов и
напряжений и зависимость выходного тока устройства
Рис. 8-8. Принципиальная схема устройства фазового компаундиро-
вания (а); векторная диаграмма, поясняющая его работу (б) и за-
висимость тока компаундирования от сдвига фаз между током
н напряжением (в).
от ср, поясняющие работу схемы, представлены на
рис. 8-8. Устройство (рис. 8-8, а) состоит из трансфор-
матора УТП* и выпрямителя В/С. На сердечнике УТЛ
размещены четыре обмотки: и —входные обмот-
ки; — выходная и wy — обмотка управления (подмаг-
ничивания). В обмотке подключенной к ТТ синхрон-
ной машины, проходит разность токов фаз Л и С, т. е.
Л - Л - /с, (8-26)
что обеспечивает форсировку возбуждения при любом
междуфазном к. з. #
Обмотка подключена через комплексное балласт-
ное сопротивление Z6 к междуфазному напряжению
Ubc TH. и в ней проходит ток /н. Сопротивление Z6 не-
обходимо для преобразования TH в источник тока по от-
* Завод-изготовитель называет УТП универсальным трансфор-
матором с подмагничиванием.
182
ношению к УГ/7 и для создания фазового сдвига, рав-
ного
у = 30 эл. град. (8'27)
Выходной ток /2 УТП является геометрической сум-
мой токов 7Т и 1и
/2 = пути /т + яутп /н, (8-28)
где мутп» иутп — соответствующие коэффициенты транс-
формации УТП.
Таким образом, значения тока /2 и тока /к компаун-
.л.
дирования зависят от фазового сдвига (/т/н)> а следо-
.л .
вательно, и от ф=ё/Ст/ст. На рис. 8-8,6 представлена
векторная диаграмма токов и напряжений" статора син-
хронной машины, а также токов 7Т, /н и /2 при некотором
значении угла ф. Из векторной диаграммы ясно, что
значение тока /2 зависит как от значения тока статора
машины, так и от значения ф. Зависимость' выходного
тока устройства фазового компаундирования /к = /2 от
значения ф при ZCT=const (рис. 8-8, в) показывает, что
при работе синхронной машины с перевозбуждением,
т. е. в режиме выдачи реактивной мощности, /к с умень-
шением коэффициента мощности cos ф машины увели-
чивается, а при работе с недовозбуждением, т. ё. в ре-
жиме потребления реактивной мощности, 1К с уменьше-
нием cos ф уменьшается. Следовательно, внешняя
характеристика синхронной машины при фазовом компа-
ундировании в значительно меньшей степени зависит от
cos ф, чем при токовом компаундировании.
Коррекция регулируемого напряжения необходима и при фазо-
вом компаундировании, однако при этом может быть использован
менее мощный корректор напряжения, чем при токовом компаунди-
ровании, так как отклонения регулируемого напряжения от задан-
ного значения при фазовом компаундировании синхронной машины
меньше. Особенностью корректора напряжения является его воздей-
ствие на степень компаундирования синхронной машины путем
управления (подмагничивания) УТП, т. е. путем изменения выход-
ного тока устройства фазового компаундирования.
г) Управляемое фазовое компаундирование
Устройство АРВ с использованием фазового компаун-
дирования совместно с корректором напряжения, воз-
действующим на его выходной ток, называется управ-
183
ляемым фазовым компаундированием.
Выходной ток такого АРВ /к является функцией трех па-
раметров
/к-/(/Ст> cosф, At/), (8-29)
где Ас/— отклонение напряжения статора синхронной-
машины от заданного значения.
Рис. 8-9. Диаграммы выход-
ных токов корректора /рег, ИО
корректора и управляемого
фазового компаундирования.
Структурная сх^ла кор-
ректора напряжения управ-
ляемого фазового компаун-
дирования аналогична струк-
турной схеме рассмотренно-
го выше электромагнитного
корректора ,(см. рис. 8-7).
Корректор напряжения со-
стоит из измерительного ор-
гана, магнитного усилителя
и выпрямителя. Однако вы-
ходной ток корректора /рег
подается в обмотку подмаг-
ничивания УПТ фазо-
вого # компаундирования
(рис. 8-8,а).
Трансформатор УТП представ-*
ляет собой магнитный усилитель
с параллельным включением на-
грузки, называемый трансформа-
торным магнитным усилителем.
Подмагничивание его сердечника
постоянным током вызывает
уменьшение сопротивления намаг-
ничивания, а следовательно, уменьшение выходного тока /2. Поэто-
му увеличение /рег вызывает уменьшение выходного тока /н АРВ.
Зависимости /Ио, /рег, а также /к при различных зна-
.а .
чениях фазового сдвига ф=£/ст/ст от напряжения стато-
ра синхронной машины, поясняющие работу управляе-
мого фазового компаундирования, представлены на ;
рис. 8-9. При превышении напряжением статора £/ст за-
данного значения U3 возрастает ток измерительного ор?
гана корректора / ио, что приводит к увеличению выход-
ного тока корректора /рег. При этом увеличивается под-
магничивание УТП и уменьшается выходной ток АРВ
/к, а следовательно, и возбуждение регулируемой син-
хронной машины. Уменьшение t/c? ниже U3 приводит к
184
уменьшению /ио, /per. Подмагничивание УТП уменьша-
ется, а следовательно, увеличивается /к и возбуждение
машины.
Поскольку при фазовом компаундировании необходима значи-
тельно меньшая коррекция -напряжения, чем г при токовом компаун-
дировании, электромагнитный корректор имеет относительно неболь-
но ю мощность. Это обстоятельство, а также воздействие корректора
на подмагничивание УТП^ работающего фактически в режиме транс-
форматора тока, приводит к тому, что устройство управляемого фа-
зового компаундирования является более быстродействующим АРВ,
чем устройство токового компаундирования с электромагнитным
корректором.
Управляемое фазовое компаундирование широко ис-
пользуется для регулирования возбуждения генераторов
мощностью до 100 МВт и синхронных компенсаторов
мощностью до 75 МВ-А, имеющих электромашинную си- .
стему возбуждения (регулятор тцда РВА-62) [35, 36]).
На гидрогенераторах со статической системой самовозбуждения
получило распространение силовое фазовое компаундирование [37].
Выходной ток этой системы АВР подается непосредственно в об-
мотку возбуждения генератора.
д) АРВ синхронных машин с полупроводниковой и ион-
ной системами возбуждения
Генераторы мощностью более 100 МВт и синхрон-
ные компенсаторы мощностью 100 МВ-А и выше обо-
рудуются обычно не электромашинкой, а полупровод-
никовой или ионной системой возбуждения. В частно-
сти, для турбогенераторов типа ТВВ широкое
распространение получила полупроводниковая высоко-
частотная система возбуждения. Обмотка возбуждения
генератора ове (рис. 8-10, а) в этой системе возбужде-
ния получает питание от выпрямителей В1 и В2, на ко-
торые работает возбудитель В, представляющий собой
индукторный генератор переменного тока с частотой
500 Гц. Возбудитель имеет три обмотки возбуждения:
овв^ овв2 и овв3. В систему возбуждения входит также*
подвозбудитель ПВ, представляющей собой генератор с
частотой 400 Гц, возбуждаемый постоянным магнитом.
Обмотка возбуждения возбудителя obbi включена по
схеме последовательного самовозбуждения.
АРВ турбогенератора с такой системой возбуждения
включает в себя (рис. 8-10, а)’ противовключенный элек-
тромагнитный корректор напряжения ЭМК, устройство
185
бесконтактной форсировки возбуждения УБФ и блок
ограничения форсировки БОФ [38].
Обмотка возбуждения возбудителя овв\ создает воз-
буждение больше требуемого в нормальных условиях
работы генератора. Противовключенныи ЭМК, работаю-
щий на обмотку снимает излишнее' возбуждение,
Рис. 8-10. Структурная схема
АРВ турбогенератора е полу-
проводниковой высокочастот-
ной системой возбуждения.
поддерживая напряжение турбогенератора на заданном
уровне. ЭМК получает питание от подвозбудителя.
При значительных снижениях напряжения, обуслов-
ленных, например, к. з., возбуждение возбудителя, а сле-
довательно, и генератора форсируется УБФ, которое
работает как согласованный корректор напряжения. Вы-
ходной ток УБФ 1ф подается в обмотку овв2 возбудите-
ля, включенную согласно с оввъ УБФ получает питание
от одной из рабочих обмоток возбудителя.
186
Структурные схемы ЭМК и УБФ 'аналогичны. Они со-
держат трехфазные магнитные усилители МУ1 и МУ2 и
выпрямители ВЗ, В4. Измерительный орган ИО являет-
ся общим для ЭМК и УБФ.
В нормальных условиях работы ({7СТ^£Л) ток /$
мал и УБФ не оказывает существенного влияния на воз-
буждение машины. При напряжении машины ниже U3
ток /ф резко возрастает, а /Рег снижается, что приводит
к форсировке возбуждения.
Блок ограничения форсировки БОФ предназначен
для предотвращения повышения напряжения возбудите-
ля в процессе форсировки выше заданного предельного
значения, которое принимается обычно равным удвоен-
ному номинальному. Структурно БОФ аналогичен ЭМК*
Он содержит измерительный орган /7Обоф, магнитный
усилитель МУЗ, получающий питание от одной из ра-
бочих обмоток возбудителя через трансформатор напря-
жения ТН2, и выпрямитель В5. Выходной ток БОФ /о
подается в управляющие обмотки МУ1 ЭМК и МУ2
УБФ. Увеличение /б приводит к возрастанию /рег и сни-
жению /ф (рис. 8-10, б), чем и достигается ограничение
форсировки возбуждения регулируемого генератора.
Данный АРВ, как и АРВ, рассмотренные в предыду-
щих параграфах, представляет собой статический АРВ
пропорционального действия. АРВ является относитель-
но быстродействующим, так как его магнитные усили-
тели питаются напряжением повышенной частоты.
Для регулирования возбуждения генераторов и синхронных
компенсаторов, оборудованных ионными или полупроводниковыми
(тиристорными) системами возбуждения, получил распространение
также регулятор сильного действия [37, 39].
Свое название АРВ сильного действия получил потому, что его
воздействие на возбуждение регулируемой синхронной машины оп-
ределяется не только отклонением регулируемого напряжения, как
это имеет место в АВР пропорционального действия, ио и производ-
ной этого напряжения, а также отклонениями частоты, тока статора
и их первыми и вторыми производными. Выбор параметров режима,
по которым осуществляется сильное регулирование возбуждения
синхронной машины, определяется параметрами, регулируемой маши-
ны, параметрами энергосистемы, в которой оиа работает, а также
ее местом в этой системе. Указанный выбор параметров производит-
ся путем проведения расчетов иа ЭВМ и экспериментов на электро-
динамической модели энергосистемы.
В частности, для мощных синхронных компенсаторов приемных
подстанций дальних линий электропередачи используются АВР
сильного действия, реагирующие на отклонения напряжения и тока
статора, а также на первую и вторую производные напряжения.
Применение АВР сильного действия позволяет улучшить стати-
187
ческую и динамическую устойчивость энергосистемы, уменьшить ко-
лебания напряжения в системе, а также снизить стоимость изготов-
ления генераторов, так как при наличии АВР сильного действия тре-
бования к некоторым параметрам генераторов могут быть понижены.
е) АРВ синхронных компенсаторов, работающих в ре-
жимах выдачи и потребления реактивной мощности
собой весьма эффективное
hJCT
Рис. 8-11. Регулировочная ха-
рактеристика синхронного ком-
пенсатора.
Синхронный компенсатор (СК) является регулируе-
мым источником реактивной мощности и представляет
собой весьма эффективное средство регулирования на-
пряжения в системе электро-
снабжения. Синхронный
компенсатор может работать
как-в режиме выдачи, так и
в режиме потребления реак-
тивной мощности. При пере-
возбуждении (£9>{7) он ра-
ботает в режиме выдачи, а
при недовозбуждении ~
<{/)—в режиме потребле-
ния реактивной мощности.
В первом случае ток /р воз-
буждения
пенсатора
буждения
ходе
синхронного ком-
больше тока воз-
при холостом
л Р 1 Р,о»
во втором — меньше (рис. 8-11)
(8-30)
/р < /р,0. (8-31)
Следовательно, АРВ синхронного компенсатора, ра-
ботающего в режимах как выдачи, так и потребления
реактивной мощности, должен быть способным изме-
нять возбуждение компенсатора в очень широких пре-
делах, причем не только в сторону увеличения, но и в
сторону уменьшения по отношению к возбуждению хо-
лостого хода. При /р=0 компенсатор потребляет реак-
тивную мощность, меньшую номинальной:
Q = — < Qck.hom. 18-32)
г Ха
Для того чтобы в режиме потребления компенсатор
был нагружен до номинальной мощности, полярность
188
возбуждения СК должна быть изменена; т. е. ток рото-
ра должен быть отрицательным.
Таким образом, первое требование, предъявляемое к
АРВ рассматриваемого компенсатора, заключается в
следующем:
АРВ должен изменять ток возбуждения в широких
пределах, включая изменение ег© полярности.
Однако при отрицательной полярности возбуждения
резко ухудшаются условия устойчивой работы компен-
сатора, так как синхронный момент Л1с, воздействую-
щий на ротор компенсатора, при фазовом сдвиге E<fi=
= 180° становится отрицательным. Синхронная работа
обеспечивается при этом только за счет наличия реак-
тивного момента Л1Р. .При |Л4С| >Afp синхронная работа
компенсатора нарушается. Во избежание нарушения
статической устойчивости АРВ должен контролировать
угол 6 между продольной осью компенсатора и напря-
жением на его выводах и, воздействуя на возбуждение,
не допускать нарушения синхронной работы. Это второе
требование к АРВ синхронного компенсатора.
При работе компенсатора в режиме выдачи реактив-
ной мощности в условиях пониженного напряжения то-
ки /р и /ст превышают номинальные значения, что может
приводить к недопустимому перегреву машины. Таким
образом, третье требование, предъявляемое к АРВ, за-
ключается в ограничении тока возбуждения СК в слу-
чае длительной перегрузки.
Рассмотренные выще устройства АРВ не удовлетво-
ряют в полной мере указанным требованиям, в особен-
ности второму и третьему.
Устройство токового компаундирования без коррек-
тора и с согласованным корректором может быть исполь-
зовано только при работе компенсатора в режиме выда-
чи реактивной мощности, поскольку они могут только
увеличивать ток возбуждения, а следовательно, ток /р
не может быть меньше /р,о. Устройство токового компа-
ундирования с противовключенным корректором прин-
ципиально рабдтоспособно и в режиме потребления ре-
активной мощности. Однако корректор в этом случае
должен иметь очень большую мощность, так как, обес-
печивая требуемое возбуждение, он должен полностью
компенсировать воздействие токового компаундиро-
вания.
Наиболее приемлемым является управляемое фазо-
вое компаундирование. Однако оно может быть^исполь-
зовано, если ток статора в режиме потребления реактив-
ной мощности не превышает некоторого значения, мень-
Рис. 8-12. Структурная схема
АРВ синхронного компенсато-
ра.
шего номинального. Во вся-
ком случае управляемое фа-
зовое компаундирование не
может изменить полярность
возбуждения синхронного
компенсатора.
Для регулирования воз-
буждения компенсатора,
обеспечивающего изменения
мощности в диапазоне
±Qck,hom, необходим специ-
альный АРВ. Наиболее
удачным вариантом такого
АР В является регулятор
возбуждения типа РВО-2,
удовлетворяющий всем ука-
занным выше требовани-
ям [5].
АРВ типа РВО-2 состоит по существу из трех устройств: ре-
гулятора напряжения, ограничителя тока статора и ограничителя
фазового угла.6 между э. д. с. синхронного компенсатора и напря-
жением на его выводах.
Структурная , схема АРВ РВО-2 представлена на рис. 8-12.
Измерительный орган регулятора ИО состоит из четырех блоков:
измерительного органа напряжения ИОН, органа ограничения уг-
ла ООУ, органа ограничения тока ООТ и органа выдержки време-
ни ОВВ. Сигнал иа выходе ИО является суммой выходных напря-
жений указанных блоков
Um = uu+^ + Uj . * (8-33)
Исполнительный орган ИспО представляет собой управляемый
выпрямитель, полярность которого изменяется в зависимости от.
знака входного сигнала //ио,а выпрямленное напряжение £/рег за-
висит от значения Таким образом, в зависимости от значения
и знака выходного напряжения ИО значение и направление тока
/рег в обмотке возбуждения возбудителя OBBi изменяются, что
позволяет регулировать возбуждение СК как в режиме выдачи,
так и в режиме Потребления реактивной мощности.
При отсутствии опасности выхода синхронного компенсатора
из синхронизма (угол 6 имеет небольшое значение) и отсутствии
его перегрузки (/ст</ ст,ном) выходные напряжения и Ui ООУ
и ООТ — ОВВ равны нулю. РВО-2 работает при этом как регуля-
тор напряжения, поддерживая заданное значение иапряжеиия иа
выводах компенсатора.
190
При перегрузке (/ст>/ст,ном) через допустимое время пере-
грузки, устанавливаемое с помощью ОВВ, на выходе О ОТ — ОВВ
появляется отрицательное значение Ui. Суммарное значение вы-
ходного сигнала (J^q—Uu + Ui уменьшается, что приводит к раз-
грузке машины. Большая крутизна характеристики ООТ обеспечи-
вает ограничение /ст значением /ст,ном.
Если в режиме потребления реактивной мощности отрицатель-
ное возбуждение синхронного компенсатора превысит наибольшее
допустимое значение, возникает опасность выхода компенсатора из
синхронизма, что проявляется в увеличении угла 6, причем 6 уве-
личивается лавинообразно, так как отрицательное значение син-
хронного момента превышает положительное значение реактивного
момента. При достижении значения 6*»60ч-80 эл. град иа выходе
ООУ появляется положительное .значение U&, Интенсивность воз-
растания с ростом б такова, что при 6=90 эл. град суммар-
ное напряжение на выходе ИО ^6 становится положи-
тельным, что обеспечивает появление положительного синхронного
момента и предотвращает выход компенсатора из синхронизма.
Все блоки измерительного оргаиа РВО-2 выполнены бескон-
тактными на полупроводниковых приборах. Исполнительный орган
выполнен в виде двух разнополярных управляемых выпрямителей,
имеющих общий выход. Оба выпрямителя получают питание от
трансформатора. В качестве вентилей использованы управляемые
кремниевые вентили (тиристоры). Оба выпрямителя собраны по
схеме с нулевой точкой и управляются схемой управления, которая
вырабатывает управляющие импульсы и подает их в зависимости
от полярности входного напряжения на вентили первого или
второго выпрямителя. Угол зажигания вентилей зависит от напря-
жения t/ио. Чем больше значение £/и0,т. е. чем больше отклонение
напряжения СК от заданного значения, тем меньше угол зажига-
ния, а следовательно, больше ток /рег, представляющий собой сред-
нее значение выпрямленного тока.
Регулятор типа РВО-2 является статическим, 7рег#=0
только при наличии отклонения напряжения статора син-
хронного компенсатора от заданного значения.
8-12. УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ
СИНХРОННЫХ МАШИН НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ
Включение генератора или синхронного компенсато-
ра на параллельную работу с энергосистемой является
очень ответственной операцией, требующей соблюдения
определенных условий, невыполнение которых может
привести к повреждению машин [39, 41]. Включение
синхронных машин на параллельную работу может вы-
полняться двумя способами: машина перед включением
ее выключателя нормально возбуждена; возбуждение
подается на машину после ее включения в систему.
1Я1
Оба способа включения синхронных машин на па-
раллельную работу с энергосистемой осуществляются в
настоящее время почти исключительно с помощью авто-
матических устройств, что, во-первых, ускоряет процесс
включения и, во-вторых, позволяет исключить ошибки
оперативного персонала при выполнении этой ответст-
венной операции.
Первый способ включения получил название точ-
ной автоматической синхронизации и ис-
пользуется для включения генераторов. Второй способ
(автоматическая самосинхронизация) ис-.
пользуется как для ,включения генераторов, так и ком-
пенсаторов и синхронных электродвигателей (автомати-
ческий асинхронной пуск).
При точной автоматической синхронизации генератор
включается возбужденным, т. е. имеющим э. д. с. Поэто-
му в момент включения выключателя в статоре генера-
тора возникает ток, периодическая составляющая кото-
рого равна:
/с1.вКл = -^с,~£г|- , (8 34)
Xd + Xc
где Ес, хс, Ег, ха — соответственно эквивалентные э. д. с.
и сопротивление энергосистемы, э. д. с. и сверхпереход-
ное сопротивление генератора.
При равенстве значений э..д. с. системы и генератора _
ЕС=ЕГ—Е
9.F ь
/ст.вкл ~ —-—-— sin — , (8-35)
Xd+*e 2
.Л ,
где 6=£с£г — фазовый сдвиг между э. д. с. энергосис-
темы и генератора.
Ток /ст,вкл вызывает в генераторе толчок активной
мощности, а следовательно, и момента на валу генера-
тора. Большие толчки момента являются опасными для
генератора. Поэтому задачей устройств точной автома-"
тической синхронизации является включение генератора .
с /ст.вкл, не превышающим допустимого значения, в каче- '
стве которого принимается обычно значение номиналь-
ного тока включаемого генератора, т. е. /Ст,вкл,доп=Ь
Идеально точное включение (/Ст^кл=0) возможно, как
это ясно из (8-34) и (8-35), при ЕС=ЕГ, 6=0 и равенст-
ве частот генератора и системы <йг=(ос.
192
Простейшим устройством точной автоматической синхрониза-
ции является синхронизатор с постоянным углом опережения. Его
использование предполагает ручную подгонку частоты и напряже-
ния включаемого генератора к частоте и напряжению энергосисте-
мы. Однако синхронизатор с постоянным углом опережения широ-
ко используется для включения генераторов относительно неболь-
шой мощности.
Более совершенным является синхронизатор с постоянным вре-
менем опережения, равным времени включения выключателя
[38, 41]
Точная автоматическая синхронизация требует значительного
времени (несколько минут) для включения генератора в работу и
поэтому используется в условиях нормальной работы энергосисте-
мы. В аварийных условиях, когда требуется быстрый ввод генера-
тора в работу, может быть использовано его включение по методу
самосинхронизации, что характерно в основном для гидрогенера-
торов. Генератор перед включением в энергосистему разворачива-
ется турбиной до частоты вращения, близкой к синхронной. Затем
включается-выключатель, после чего на машину подается возбуж-
дение. Все это обеспечивается устройством автоматической само-
синхронизации. Недостатком включения генератора по методу са-
мосинхронизации является наличие большого броска тока в стато-
ре генератора
ст.вкл — « »
*d+*e
(8-36)
близкого по значению к току к. з. на выводах генератора.
Синхронные компенсаторы и синхронные электродвигатели
включаются в работу методом так называемого «асинхронного пус-
ка», который заключается в том, что к энергосистеме подключается
остановленная и не имеющая возбуждения машина. За счет возника-
ющего прн этом асинхронного момента ротор машины разворачи-
вается до подсинхронной частоты вращения, после чего иа машину
подается возбуждение п она втягивается в синхронизм. С целью
меньшего снижения напряжения у потребителей при пуске синхрон-
ного компенсатора или электродвигателя большой мощности в
цепь статора на время .пуска включается токоограиичивающий ре-
актор.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
ТРАНСФОРМАТОРОВ
9-1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
К повреждениям трансформаторов относятся:
междуфазные к. з. на выводах и в обмотках (послед-
ние возникают гораздо реже, чем первые);
13-529
193
однофазные к. з. (на землю и между витками Обмот-
ки, т. е. витковые замыкания);
«пожар стали» сердечника.
При к. з. на выводах трансформатора значения токов
определяются в соответствии с § 1-2 и 1-6.
При известном токе /к,а в месте внутреннего к. з. и
известной доле а замкнувшихся витков (a=wa/w) при-'
веденные токи в фазах со стороны питания /к определя-
ются [1] как
Где k — коэффициент, определяемый видом повреж-
дения.
При витковом замыкании в первичной обмотке транс-
форматора со схемой соединения д/у и при многофаз-
ном к. з. во вторичной обмотке трансформатора у/у
Л=1. При повреждениях в случаях соединения д/у
й = 1/Кз.
Из приведенного выражения следует, что при малых
значениях а ток /к в фазах со стороны питания может
быть намного меньшим, чем номинальный ток трансфор-
матора.
К ненормальным режимам относятся:
перегрузки, вызванные отключением, например,
одного из параллельно работающих трансформаторов.
Токи перегрузки относительно невелики, и поэтому до-
пускается перегрузка в течение времени, определяемого
кратностью тока перегрузки по отношению к номиналь-
ному;
возникновение токов при внешних к.з.,
представляющих собой опасность в основном из-за их
теплового действия на обмотки трансформатора, посколь-
ку эти токи могут существенно превосходить номиналь-
ные. Длительное прохождение тока внешнего к. з. мо-
жет возникнуть при неотключившемся повреждении на
отходящем от трасформатора присоединении;
недопустимое понижение уровня масла,
вызываемое значительным понижением температуры и
другими причинами.
Повреждения и ненормальные режимы работы
предъявляют определенные требования к устройствам
автоматического управления трансформаторами, рас-
сматриваемые ниже.
194
L ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ТРАНСФОРМАТОРА
На трансформаторах устанавливаются следующие
защиты;
защита от коротких замыканий, действующая на от-
ключение поврежденного трансформатора и выполняе-
мая без выдержки времени (для ограничения размеров
повреждения, а также для предотвращения нарушения
бесперебойной работы питающей энергосистемы). Для
защиты мощных трансформаторов Применяются продоль-
ные дифференциальные токовые защиты, а для мало-
мощных трансформаторов — токовые защиты со ступен-
чатой характеристикой выдержки времени. Кроме того,
при всех повреждениях внутри бака и понижениях уров-
ня масла применяется газовая защита, работающая на
неэлектрическом принципе;
защита от токов внешних к. з., основное назначение
которой заключается в предотвращении длительного
прохождения токов к. з. в случае отказа выключателей
или защит смежных элементов путем отключения транс-
форматора. Кроме того, защита может работать в каче-
стве основной (на трансформаторах малой мощности?;
а также при к. з. на шинах, если отсутствует специаль-
ная защита шин). Защиты от внешних к. з. обычно вы-
полняются токовыми или (значительно реже) дистанци-
онными — с выдержками времени;
защита от перегрузок, выполняемая с помощью одно-
го максимального реле тока, поскольку перегрузка
обычно является симметричным режимом. Поскольку
перегрузка допустима в течение длительного промежут-
ка времени (десятки минут при токе не больше
1 т,ном ), то защита от перегрузки при наличии дежур-
ного персонала должна выполняться с действием на
сигнал, а при отсутствии персонала — на разгрузку или
на отключение трансформатора.
На трансформаторах предусматриваются следующие
устройства автоматики:
автоматическое повторное включение, предназначен-
ное для повторного включения трансформатора после
его отключения максимальной токовой защитой. Требо-
вания к АПВ и способы его осуществления аналогичны
рассмотренным ранее устройствам АПВ линий. Основ-
ная особенность заключается в запрещении действия
13*
195
АПВ трансформаторов при внутренних повреждениях,
которые отключаются дифференциальной или газовой
защитой;
автоматическое включение резервного трансформатор
ра, предназначенное для автоматического включения
секционного выключателя при аварийном отключении
одного из работающих трансформаторов или при потере
питания одной из секций по другим причинам;
автоматическое отключение и включение одного из
параллельно работающих трансформаторов, предназна-
ченное для уменьшения суммарных потерь электроэнер-
гии в трансформаторах;
автоматическое регулирование напряжения, предна-
значенное для обеспечения необходимого качества элек-
троэнергии у потребителей путем изменения коэффици-
ента п трансформации понижающих трансформаторов
подстанций, питающих распределительную сеть. Для
изменения п под нагрузкой трансформаторы оборуду-
ются устройствами РПН (регулятором переключения от-
паек обмотки трансформатора под нагрузкой). Автома-
тическое изменение п осуществляется специальным регу-
лятором коэффициента трансформации (АРКТ), воздей-
ствующим на РПН.
9-3. ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформаторы малой мощности до 750 кВ-А при
напряжении 10 кВ и до 3200 кВ* А при напряжении 35 кВ
тупиковых подстанций, а также цеховые трансформато-
ры обычно коммутируют выключателями нагрузки ВНП.
Для защиты таких трансформаторов от внутренних к. з.
допускается применение (рис. 9-1) предохранителей (на-
пример, типа ПК). .Номинальный ток плавкой вставки
/вс,ном выбирается из тех же условий, что и для линий.
Кроме того, необходимо учитывать возможность неже-
лательного срабатывания предохранителей при бросках
тока намагничивания, вызванных включением трансфор-
матора под напряжение. С учетом указанных условий
I в с,ном= (1,54-2,5) ^т,ном> Селективность защиты обеспе-
чивается согласованием время-токовой характеристики
предохранителя с характеристиками защит отходящих
присоединений со стороны низшего напряжения транс-
форматора.
196
Рис. 9-1. Защита трансформа-
тора малой мощности с по-
мощью предохранителей.
Для упрощения и удешевления подстанций систем электро-
снабжения, подключаемых ответвлением к линии электропередачи,
применяются открытые плавкие вставки (ОП) [42], а также управ-
ляемые предохранители [5].
Недостатками защит трансформаторов, выполненных
с помощью плавких вставок, являются:
нестабильность их защит-
ных характеристик, которая
может привести к недопусти-
мому увеличению времени
отключения трансформатора
при некоторых видах внут-
ренних повреждений;
трудность согласования с
защитами смежных участ-
ков.
Токовая защита транс-
форматоров выполняется с
использованием вторичных
максимальных реле тока
(прямого или косвенного
действия). При этом следует
иметь в виду, что трансфор-
маторы малой мощности
представляют для токов к. з. относительно большое сосре-
доточенное сопротивление. Поэтому защитоспособность
первой ступени (отсечки без выдержки времени) получа-
ется удовлетворительной. Учитывая это, защиту обычно
выполняют двухступенчатой. Первой ступенью защиты
является токовая отсечка, ток срабатывания которой вы-
бирается большим максимального тока при к. з. за транс-
форматором. Чувствительность первой ступени считает-
ся удовлетворительной, если k4=2 при к. з. на стороне
высшего напряжения трансформатора. Вторая ступень
представляет собой максимальную токовую защиту, вы-
держка времени которой согласована с выдержками вре-
мени защит отходящих присоединений. Чувствительность
максимальной токовой защиты проверяется по току при
к. з. на стороне низшего напряжения. Работа токовой за-
щиты как резервной проверяется при к. з. в конце эле-
ментов, присоединенных к шинам низшего напряжения
(при этом желательно иметь k4^ 1,2).
При параллельной работе двух трансформаторов сле-
дует иметь в виду, что в случае к. з. на низшей стороне
197
Рис. 9-2. Схема, поясняющая
выбор выдержек времени мак-
симальных токовых защит
трехобмоточногб трансформа-
тора.
максимальные токовые защиты (вторые ступени) транс-
форматоров могут отключить оба трансформатора. Если
имеется секционный выключатель, то этот недостаток
устраняется тем, что установленная на нем защита име-
ет меньшую выдержку времени.
На многообмоточных транс-
форматорах (рис. 9-2) максйлгаль-
ная токовая защита должна обес-
печить ' селективное отключение
только той обмотки, которая пи-
тает место к. з. Поэтому иа трех-
обмоточных трансформаторах то-
ковые защиты, действующие на от-
ключение своих выключателей,
устанавливаются на сторонах НН
и СН. Третий комплект токовой
защиты, устанавливаемый на сто-
роне ВН, предназначен для отклю-
чения трансформатора при к. з. в
нем (в случае одностороннего пи-
тания со стороны ВН), а также
резервирует защиты и выключате-
ли обмоток СН и НН. Применяет-
ся также схема с двумя комплек-
тами, когда на стороне НН или
СН защита не устанавливается.
Защита на питающей стороне при
этом выполняется с двумя вы-
держками времени и действует
сначала на выключатель той сто-
роны, где защита отсутствует, а затем иа выключатель ВН.
При двухстороннем питании (с ВН и СН) (рио. 9-2) для обеспе-
чения селективности защиту на стороне СН выполняют с двумя вы-
держками времени и органом направления мощности. При этом с
меньшей выдержкой времени (определяемой, как и в случае одно-
стороннего питания) защита действует только при направлении
мощности к. з. к шинам СН, а с большей (чем Л) эта защита дей-
ствует селективно при к. з. на шинах ВН и НН.
Для повышения чувствительности максимальная то-
ковая защита дополняется пуском от реле напряжения
обратной последовательности (при несимметричных к.з.)
и от реле минимального напряжения (при симметричных
к. з.) (рис. 9-3).
При несимметричном к. з. на выходе фильтра ФНОП
появляется напряжение, пропорциональное напряжению
обратной последовательности, максимальное реле напря-
жения 2РН срабатывает и обусловливает срабатывание
минимального реле напряжения ЗРН. Если при этом
для реле 1РТ /р>7с,р» то защита срабатывает. При сим-
метричном к.з. срабатывает ЗРН и реле тока 1РТ,
198
Ток срабатывания защиты при этом выбирается по
условию отстройки от номинального тока, а не от тока
самозапуска электродвигателей, питаемых от защищае-
мого трансформатора, что и обусловливает повышение
чувствительности защиты.
Рис 9-3. Защита трансфор-
матора от внешних к. з. и
перегрузок.
Цепи типовых: зсицит От много- фазньюо, н.з.
От одно- разных ИЗ. ......
Цепи напряжения
Напряжение срабатывания 2РН отстраивается от на-
пряжения небаланса 17Ыб,раб на выходе фильтра ФНОП
в рабочем режиме:
t^c,2PH = — °ТС ' ^нб,раб*, ^нб,раб~
где &отс и — коэффициенты отстройки и возврата реле;
1/ном и Ки — номинальное напряжение и коэффициент
трансформации трасформатора напряжения TH,
Напряжение срабатывания ЗРН отстраивается от
минимального значения напряжения в месте установки
TH с учетом самозапуска электродвигателей
£^с,ЗРН ~ ^зап.тгп^в ^отс (9~1)
Коэффициент чувствительности защиты по напряже-
нию должен быть не ниже £ч= 1,24-1,3, причем k4 при
симметричном к. з. можно определять не по напряже-
нию срабатывания минимального реле ЗРНУ а по на-
пряжению его возврата, так как симметричное к. з. в на-
199
чальный момент времени является несимметричным,
а следовательно, ЗРН срабатывает в результате сраба-
тывания 2РН. Такое взаимодействие реле повышает
чувствительность защиты по напряжению при симмет-
ричных к. з.
Если трансформатор с высшим напряжением ПО кВ
имеет глухозаземленную нейтраль, то при однофазном
к.з. в сети ПО кВ через нейтраль трансформатора будут
проходить токи нулевой последовательности, для отклю-
чения которых на трансформаторе устанавливается спе-
циальная токовая защита нулевой последовательности.
Измерительный орган защиты, которая устанавливается
только при наличии питания со стороны HJH или СН, со-
стоит из одного реле тока 2РТ (рис. 9-3), подключен-
ного к ТТ, установленному в цепи заземления нейтрали
трансформатора. Ток срабатывания защиты выбирается
из условия надежной отстройки от тока небаланса в за-
земляющей цепи при внешних междуфазных к. з. и со-
гласуется с токами срабатывания защит от однофазных
к. з., установленных на линиях, примыкающих к защи-
щаемому трансформатору. Значение тока срабатывания
обычно находится в пределах 100—200 А. Время сраба-
тывания защиты (реле РВ) должно быть на ступень се-
лективности больше времени срабатывания наиболее
медленно действующей защиты от однофазных к. з. при-
мыкающих к трансформатору линий электропередачи.
При питании трансформатора только со стороны высше-
го напряжения защита обычно не устанавливается.
В распределительных сетях широко применяются понижающие
трансформаторы с соединением обмоток звезда — звезда с зазем-
ленной нейтралью (например, большинство цеховых трансформа-
торов, имеющих заземленную нейтраль на стороне 0,4 кВ).
При такой схеме в случае однофазного к. з. на стороне низ-
шего напряжения значение тока к.з. на этой стороне (в прене-
брежении активными сопротивлениями и сопротивлением системы)
определяется как
/^ = з/0«з
(9-2)
где t/ф — фазное напряжение; х1т и хОт — сопротивления прямой и
нулевой последовательностей соответственно.
Сопротивление нулевой последовательности трансформатора с
указанной схемой соединения составляет (для трансформаторов
мощностью 100—1000 kB*A)i хот»(5н- 10)xiT. Следовательно, от-
200
ношение тока
к току трехфазного к. з составляет:
/(О
1 к
j (3)
1 к
Зх^т
2х1т + (5 Ю) х1т
0,43 н- 0,25.
(9-3)
стороны высшего
чувствительность
стороне высшего
напря-
макси-
напря-
Если же учесть, что в двух фазах
жения проходят токи, равные
мальной токовой защиты, включенной на
жения, оказывается для трансформаторов такой мощности недоста-
точной. Кроме того, ток может ока-
заться недостаточным и для работы
максимальных расцепителей автома-
та на вводе 0,4 кВ в цепи трансфор-
матора (кратность тока в этом слу-
чае может быть значительно меньше
кратностей токов при самозапуске
электродвигателей). • Поэтому приме-
няется токовая защита от однофаз-
ных к. з. иа стороне низшего напряже-
ния, которая реагирует на ток в цепи,
соединяющей нейтраль трансформато-
ра с контуром заземления (рис. 9-4).
В нормальном режиме ток в защите
определяется иесимметрией нагрузки.
Защита должна быть отстроена от
этой несимметрии (что обычно дости-
гается выбором /с,з~/т;ном), а время
срабатывания защиты должно быть
большим времени срабатывания за-
щит отходящих присоединений. "По-
скольку защита этих присоединений
выполняется предохранителями и ав-
томатами с зависимой характеристи-
кой выдержки времени, то для рас-
сматриваемой защиты трансформато- -
ра применяют реле с зависимой ха*
рактеристикой (РТВ, РТ-80), чем достигается необходимое согласо-
вание с защитами отходящих присоединений.
СО
то
Рис 9-4. Принципиальная
схема защиты от к. з. на
землю понижающего транс-
форматора с соединением
обмоток Y/Y—°-12.
Защита трансформатора от перегрузки, выполняемая
одним реле, имеет ток срабатывания
__ &ОТС J
С ,3---------*т,ном »
^в
(9-4)
где &ОТс™1,05 — коэффициент, учитывающий погреш-
ность в значении тока срабатывания.
На трехобмоточных трансформаторах с односторон-
ним питанием защита от перегрузки устанавливается со
стороны питания. При существенно различных мощнос-
тях обмоток устанавливается дополнительно защита на
питаемой обмотке меньшей мощности.
201
9-4. ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРА
Обмотки большинства трансформаторов помещены в
бак, залитый маслом, которое используется как для изо-
ляции обмоток, так и для их охлаждения. При возник-
новении внутри бака электрической дуги к. з., а также
при перегреве обмоток масло разлагается, что сопро-
вождается выделением газа. Это явление и использует-
ся для создания газовой защиты.
Защита выполняется с помощью газового реле, уста-
новленного в трубе, соединяющей бак трансформатора с
расширителем. Газовое реле состоит из кожуха и двух
расположенных внутри него поплавков, снабженных
ртутными контактами, замыкающимися при изменении
их положения. Оба поплавка шарнирно укреплены на
вертикальной стойке. Один из них расположен в верхней
части, а второй — в центральной. При слабом газообра-
зовании (газ скапливается в верхней части кожуха ре-
ле), а также при понижении уровня масла верхний по-
плавок опускается, что приводит к замыканию его кон-
тактов. При бурном газообразовании потоки масла
устремляются в расширитель, что приводит к замыка-
нию контактов обоих поплавков. Контакты верхнего по-
плавка носят название сигнальных, а нижнего — основ-
' ных контактов газового реле.
Движение масла через газовое реле, вызванное к. ,з.
внутри бака трансформатора, обычно является толчко-
образным. Поэтому замыкание основных контактов мо-
жет быть ненадежным (перемежающимся), что учиты-
вается при выполнении схемы газовой защиты транс-
форматора.
На рис. 9-5 изображена схема газовой защиты на пе-
ременном оперативном токе. Выходное промежуточное
реле защиты РП самоудерживается до отключения вы-
ключателя 1В со стороны питания.
Поскольку газовая защита может сработать ложно,
например, вследствие выхода воздуха из бака трансфор-
матора после доливки свежего масла, в схеме защиты
предусмотрены переключающее устройство ПУ и резис-
тор Л, с помощью которых действие газовой защиты мо-
жет быть переведено на сигнал.
Достоинствами газовой защиты являются простота
выполнения, срабатывание при всех видах повреждения
внутри бака трансформатора, высокая чувствитель-
202
Рис. 9'5. Принципиальная схема газовой защиты трансформатора.
ность. Однако газовая защита, естественно, не срабаты-
вает при повреждениях вне бака трансформатора. По-
этому она не может быть единственной основной защи-
той трансформатора.
Трансформаторы мощностью 1 МВ* А и более обыч-
но поставляются комплектно с газовой защитой.
9-5. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА
ТРАНСФОРМАТОРА
На трансформаторах мощностью более 7,5 МВ*А в
качестве основной защиты устанавливается продольная
дифференциальная токовая защита. Принцип действия
защиты был рассмотрен применительно к линиям элек-
тропередачи (см. § 6-1). Однако особенности трансфор-
матора как объекта защиты приводят к тому, что /Нб в
дифференциальной защите трансформатора значитель-
но больше, чем в дифференциальных защитах других
элементов системы электроснабжения. Основными фак-
торами, которые необходимо учитывать при выполнении
дифференциальной защиты трансформатора, являются
следующие.
203
Бросок тока намагничивания при
включении трансформатора под напря-
жение или при восстановлении напря-
жения после отключения внешнего к. з.
Ток намагничивания трансформатора (рис. 9-6, а) /Нам=
— Лп—/нп в нормальном режиме работы невелик и со-
ставляет 2—3% номинального тока /Т)ном. После отклю-
чения внешнего к. з., как и при включении трансформа-
тора под напряжение, возникающий бросок тока намаг-
ничивания может превышать номинальный ток /т,ном в
6—8 раз.
Рис. 9-6. Изменение потока и тока намагничивания при включении
трансформатора под напряжение.
а — поясняющая схема; б — изменение тока намагничивания; в — изменения
напряжения и магнитного потока; г —- характеристика намагничивания.
Значение тока при броске зависит от момента вклю-
чения трансформатора под напряжение. Наибольшее зна-
чение бросок тока намагничивания имеет при включении
трансформатора в момент, когда мгновенное значение
напряжения (У равно нулю (рис. 9-6, в, г). В этом случае
магнитный поток Ф? в сердечнике трансформатора в на-
чальный период времени содержит большую апериодиче-
скую составляющую Фа и превышает при переходном
процессе установившееся значение Фуст практически в
2 раза. Поскольку зависимость Ф=/(/нам) нелинейна, то
«нам увеличивается по отношению к установившемуся зна-
чению в сотни раз, но остается обычно меньшим макси-
204
мальных переходных токов внешних (сквозных) к. з.
Бросок тока намагничивания может содержать большую
апериодическую слагающую, а также значительный про-
цент высших гармоник (прежде всего второй). Затуха-
ние броска происходит медленнее, чем тока к. з. В ре-
зультате кривая броска тока намагничивания г’нам.бр
(рис. 9-6, б) может оказаться смещенной по одну сторо-
ну оси времени.
Указанные характерные особенности броска тока намагничива-
ния используются для обеспечения отстроеииости дифференциаль-
ной токовой защиты трансформатора, поскольку при отстройке за-
щиты по току срабатывания она имеет очень низкую защитоспо-
собность, а при отстройке по времени — теряет быстроту сраба-
тывания.
Схемы соединения обмоток трансфор-
матора. Если обмотки высшего и низшего напряже-
ния трансформатора соединены не по схеме у/у-12,
а по какой-то другой схеме, то между токами фаз транс-
форматора на сторонах высшего и низшего напряжения
существует фазовый сдвиг. Так, при широко распростра-
ненной схеме соединения обмоток трансформатора
.А .
у/д-11 фазовый сдвиг составляет /пп=30 эл. град.
Поэтому при одинаковых схемах соединения вторичных
обмоток групп ITT и 2ТТ трансформаторов тока (на сто-
ронах высшего и низшего напряжения) в дифференци-
альной цепи защиты при внешнем к. з. проходит значи-
тельный ток, равный примерно половине вторичного тока
ТТ при внешнем к. з.
Поэтому схемы соединения групп ITT и 2ТТ должны
быть такими, чтобы указанный сдвиг по фазе отсутст-
. А.
вовал (Лв/пв = 0). При этом возможны два варианта:
вторичные обмотки группы ITT соединяются в треуголь-
ник, а группы 2ТТ — в звезду или вторичные обмотки
группы 2ТТ — в треугольник, а ITT — в звезду. Схема
соединения обмоток ТТ в первом случае ясна из рис. 9-7.
Предпочтение всегда отдается первому варианту, так
как соединение в треугольник вторичных обмоток ТТ,
установленных со стороны звезды силового трансфор-
матора, предотвращаем возможное неправильное сраба-
тывание дифференциальной защиты при внешних одно-
фазных к. з. (когда нейтраль трансформатора заземле-
на), поскольку соединение в треугольник предотвраща-
ет попадание токов нулевой последовательности в реле
205
защиты. При соединении вторичных обмоток ITT ^тре-
угольник токи в цепи циркуляции от ITT (Дв) в У 3 раз
больше вторичных токов ITT (hB). Поэтому коэффици-
ент трансформации ITT выбирается равным /туНом 1/3/5,
где /ту ном — номинальный ток трансформатора со сто-
роны обмотки силового трансформатора, соединенной в
звезду.
Рис. 9-7. Схема соединения ТТ дифференциальной токовой защиты
трансформатора У/Д-11 и векторные диаграммы.
Несоответствие коэффициентов транс-
формации ТТ расчетным значениям. Для
обеспечения равенства токов в цепи циркуляции должно
соблюдаться соотношение
------= п
. *1ТТ
или
(9-5)
^2ТТ И
/тт V 3
206
соответственно для трансформаторов с соединением об-
моток по схеме у/у и у/д . Выпускаемые промышлен-
ностью трансформаторы тока имеют дискретную шкалу
коэффициентов трансформации. Поэтому в общем слу-
чае что вызывает дополнительный ток небалан-
са в реле защиты.
Регулирование коэффициента транс-
формации трансформатора. При регулирова-
нии коэффициента трансформации трансформатора со-
отношение между первичными, а следовательно, и меж-
ду вторичными токами ITT и 2ТТ изменяется, что также
приводит к появлению тока небаланса в дифференциаль-
ной цепи защиты. /
Различия типов ТТ, их нагрузок и крат-
ностей токов внешнего к. з. Трансформаторы
тока ТТ дифференциальной защиты трансформатора
устанавливаются на сторонах трансформатора, имеющих
различное напряжение, поэтому они не могут быть оди-
наковыми. Кроме того, схемы соединения вторичных об-
моток ТТ также различны, а следовательно, трансфор-
маторы тока имеют разную нагрузку. Различны у раз-
ных групп ТТ (особенно в случае трехобмоточного
трансформатора) и кратности тока внешнего к.з. по от-
ношению к их номинальным токам. Все это обусловли-
вает разные погрешности у разных групп ТТ, что при-
водит к появлению повышенных токов небаланса в диф-
ференциальной цепи защиты при внешних к. з.
Рассмотренные выше факторы обусловливают приме-
нение защит различной сложности и с использованием
разных способов обеспечения их защитоспособности и
отстроенности. В простейшем случае в качестве РТД
(рис. 9-7) используют обычное реле тока без замедле-
ния (такую защиту называют дифференциальной отсеч-
кой). Однако защитоспособность ее мала из-за того, что
защита получается весьма грубой. Для повышения чув-
ствительности применяют реле и схемы, основные из ко-
торых (реле с промежуточными насыщающимися транс-
форматорами в дифференциальной цепи, реле с
торможением) были рассмотрены применительно к про-
дольной дифференциальной защите линий. В ряде слу-
чаев применяются и более сложные принципы (особен-
но для обеспечения отстроенности защиты от бросков
тока намагничивания трансформатора).
207
Наибольший (расчетный) ток небаланса в дифферен-
циальной цепи защиты может иметь место при включе-
нии трансформатора под напряжение или при внешнем
к. з. Поэтому ток небаланса должен определяться в обо-
их случаях.
При включении трансформатора под напряжение
действующее значение броска тока намагничивания
/бр,нам В первый период равно (6—8)/т,НОм, где /Т)ном —
номинальный ток трансформатора.
При внешнем к. з., сопровождающемся прохождени-
ем через ТТ защиты наибольших токов к. з., ток неба-
ланса
+ С (М)
где 7иб, /иб, /иб—токи небаланса, обусловленные соответ-
ственно погрешностями ТТ, регулированием коэффици-
ента трансформации трансформатора и неравенством то-
ков в цепи циркуляции от различных групп ТТ.
Раскрывая выражения для отдельных составляющих
тока небаланса (9-6), можно записать:
J = (k k е +А(7 + ДМ/ , (9-7)
нб.расч \ одн апер 1 per г » выр; к,вн,тах* \ *
где 6одн~1 — коэффициент однотипности; &апер — коэф-
фициент, учитывающий наличие апериодической состав-
ляющей в первичном токе ТТ при внешнем к. з.; е=0,1 —-
допустимая относительная погрешность ТТ; Д(/рег=
=Af7Per/TZHOM — относительный диапазон изменения на-
пряжения на вторичной стороне трансформатора при ре-
гулировании коэффициента трансформации под нагруз-
кой устройством РПН; А|выр=—~—7-^--------относитель-
ны
ное значение тока небаланса в дифференциальной цепи
защиты, обусловленное несоответствием расчетных и
фактических коэффициентов'трансформации ТТ.
Значения коэффициента &аПеР в (9-7) и коэффициен-
та, учитывающего отстройку от броска тока намагни-
чивания, выбираются разными в зависимости от типа
применяемого РТД. Так, для дифференциальной отсечки
ток срабатывания определяется как
^с,з ^отс Ибр,нам> (9'6)
Ис,з “ &отс 7нб,расч* (9-9)
208
При этом в (9-9) /?ютс^2, а выражение- (9-8) с уче-
том некоторого затухания переходного значения 1бр,нам в
течение собственного времени срабатывания электроме-
ханического реле принимает вид:
/с,з (3,5-:-4,5)/т,иом (9-10)
и, как правило, является определяющим. Ток срабаты-
вания реле дифференциальной токовой отсечки
/с.р =/с.зКЗ/Кпт, (9-11)
если /с.з 'отнесен к стороне Y трансформатора, где вто-
ричные обмотки ITT соединены в треугольник. Диффе-
ренциальная отсечка считается 'приемлемой, если при
двухфазном к. з. на выводах низшего напряжения транс-
форматора /?ч^2. Несмотря на низкую чувствительность
дифференциальной отсечки ее достоинство заключается
в обеспечении быстроты срабатывания при наибольших
кратностях тока к. з.
При использовании реле с насыщающимися промежу-
точными трансформаторами РНТ выбор тока срабаты-
вания защиты /с,3 производится по выражениям;
’ /с,з-(1 -1,3/)т.ном; (9-12)
7 МА»+ '»>)• (9-13)
В (9-13) неучет /„б объясняется возможностью ском-
пенсировать эту составляющую (в первом приближении)
с помощью промежуточного насыщающегося трансфор-
матора тока ПНТТ с несколькими первичными обмотка-
ми (рис. 9-8), когда для предотвращения попадания в
реле защиты тока небаланса, обусловленного неравен-
ством токов /jb и I'Ub в цепи циркуляции, производится
выравнивание м. д. с. первичных обмоток w2 проме-
жуточных трансформаторов тока так, что 1 [В~
т. е. Ев.т^О и /р^0.
Кроме того, в (9-13) при расчете /Нб значение коэф-
фициента &аПер принимается равным единице.
Существуют специальные реле дифференциальной
защиты серии РНТ, содержащие максимальное реле то-
ка, включенное на вторичную обмотку ПНТТ, Они ха-
рактеризуются постоянной м. д. с. срабатывания (Ес,р~
—const).
Принципиальная схема дифференциальной защиты
трансформатора с РНТ (в однолинейном изображении)
представлена на рис. 9-8.
14—529
209
Расчет защиты производят следующим образом» Из условий
(9-12) и (9-13) определяют ток срабатывания защиты. Затем оп-
ределяют ток срабатывания для основной стороны (той, иа
которой в нормальном режиме работы ток /в имеет большее значе-
ние). Если, например, /ib>7jIb
7с)р1“/е1з1&сх/К1т, ГДе 1с, 31—ток
Рис. 9-8. Схема включения ре*
ле РЦТ в дифференциальной
токовой защите трансформа-
тора.
(рис. 9-7, 9-8), то определяется
срабатывания защиты на основ-
ной стороне, а &Сх — коэффициент
схемы, учитывающий схему соеди-
нения вторичных обмоток ITT. За-
тем определяют k4 защиты при
двухфазном к. з. на стороне низ-
шего напряжения. Если /гч>>2, то
расчет защиты продолжают. Если
кч < 2, то защита с Р НТ не-
приемлема и необходимо при-
менение более сложной диф-
ференциальной защиты (например,
с РТД, имеющими торможение).
Дальнейший расчет защиты
с РНТ производится в следую-
щей последовательности.
Определяют число витков
первичной обмотки насыщающе-
гося трансформатора феле №Т
на основной стороне
^1расч — ^Cjp/f^pi* (9-14)
Принимается ближайшее меньшее Шь которое может быть ус-
тановлено.
Число витков w2pac4 иа неосновной стороне определя-
ют из условия равенства м. д. с.
^расч^ W1 (9-15)
и принимают значение w2, ближайшее меньшее, которое может
быть установлено.
Вычисляют составляющую тока небаланса обусловленную
неравенством расчетного w2pac4 и фактического чисел витков
обмотки на неосновной стороне:
Л1б (^2расч ^2) ^к,вн, max ^2*
Определяют расчетный ток небаланса (по 9-6) и ток срабаты-
вания защиты (по 9-9).
Если учет / иб приводит к увеличению /0(з, то необходимо най-
ти новое значение /c,pt и wipac4. Если повое значение Ш1расч>^ь'
определенного ранее, то расчет заканчивается, а если wIPac4<Wi,
то расчет повторяется, т. е. заново определяются Wi, /нб и т. д.
Определяют коэффициент чувствительности защиты:
/гч= (Лв,КШ1+ Ли.К^^С.р’ (9'1€)
210
где i'ibk и Л*1в,к“т0КИ ^1в и Л\впРи к з- 0 зоне действия защи-
ти причем рассматриваются такие вид и место к. з., при которых
/ имеет минимальное значение. В случае двухобмоточного понижа-
ющего трансформатора с односторонним питанием /гч определяется
при двухфазном к. з. на стороне низшего напряжения. Защита счи-
тается приемлемой, если
Следует отметить, что определение составляющей
расчетного тока небаланса 7Нб> обусловленной регулиро-
ванием напряжения защищаемого трансформатора,
и расчетных чисел витков обмоток промежуточных на’
сыщающихся трансформаторов /тока реле защиты произ-
водится с учетом одинакового максимального регулиро-
вания ±&Umax в обе стороцы по отношению к среднему
положению переключателя РПН, принимаемого в каче-
стве расчетного. Такой учет регулирования напряжения
соответствует определению оптимальной уставки защи-
ты только при условии независимости сопротивления
трансформатора и тока к. з. от положения переключа-
теля РПН.
Для повышения чувствительности дифференциальной
токовой защиты трансформатора предусматривают более
эффективную (по сравнению с защитой с РНТ) отстрой-
ку от броска тока намагничивания трансформатора, ис-
пользуя: несинусоидальность броска тока намагничива-
ния; наличие в нем апериодической слагающей; наличие
провалов (ниже заданного уровня) в кривой тока /нам,пер.
В настоящее время желательно на мощных трансфор-
маторах устанавливать защиту с током срабатывания
(0,2—0,3) /т,ном. Дифференциальные защиты, применяе-
мые в эксплуатации, можно разделить на три группы:
с токовыми реле; с реле РНТ; с реле с торможением.
Наибольший так срабатывания имеют защиты первой группы
(дифференциальные токовые отсечки). Ток срабатывания защит
второй группы значительно меньше. Наиболее распространенной
разновидностью таких защит является уже рассмотренная защита
с применением промежуточных насыщающихся ТТ в дифференци-
альной цепи. Недостатком этой защиты является небольшое замед-
ление из-за наличия некоторой апериодической слагающей в то-
ке к. з.
Еще меньший ток срабатывания могут иметь защиты третьей
группы.
В настоящее время выпускается полупроводниковая
дифференциальная токовая защита типа ДЗТ-21 [45],
ток срабатывания которой равен примерно 0,3/Т)НОМ.
*
211
9-6. ОТКЛЮЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ОТ УСТРОЙСТВ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ОТСУТСТВИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ НА
СТОРОНЕ ВЫСШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
В настоящее время в системах электроснабжения все
более широко применяются понизительные подстанции
без выключателей на стороне высшего напряжения. Та-
кие подстанции выполняются по упрощенным схемам
присоединения к сети системы электроснабжения (по
блочным схемам линия — трансформатор или отпайка-
ми от линий электропередачи). Для отключения повреж-
дений в понизительных трансформаторах таких подстан-
ций применяются следующие способы:
установка на выводах высшегр напряжения транс-
форматоров плавких предохранителей;
фиксация и ликвидация повреждений в трансформа-
торе с помощью защит, установленных на питающих
концах линии;
установка короткозамыкателей, автоматически вклю-
чаемых при срабатывании защит трансформатора и вы-
зывающих к. з. на выводах высшего напряжения, кото-
рое ликвидируется затем защитами питающего конца
линии;
передача отключающего сигнала по высокочастотно-
му каналу (на базе проводов линии) или по жилам спе-
циального кабеля от защит трансформатора на отклю-
чение выключателя питающего конца линии.
Если защиты питающего конца линии не обеспечива-
ют необходимой чувствительности при повреждениях в
обмотках трансформатора и на его выводах низшего на-
пряжения или имеют большие выдержки времени, то для
отключения повреждения используются защиты транс-
форматора, действующие в сочетании с короткозамыка-
телем.
Включение короткозамыкателя осуществляется от
защиты трансформатора, а отключение — вручную. В се-
тях с заземленной нейтралью короткозамыкатель уста*
навливается в одной фазе, а в сетях с изолированной
нейтралью он выполняется двухполюсным с общим при-
водом и устанавливается на двух фазах.
После включения короткозамыкателя возникает од-
нофазное (или двухфазное) к. з. на выводах высшего
напряжения трансформатора. При этом срабатывают
быстродействующие защиты, установленные на питаю-
212
щих концах линии. Допускается однократное АПВ пи-
тающей линии (хотя оно может вызвать увеличение раз-
меров повреждения трансформатора). Когда к одной
линии подключены ответвлениями два или несколько
трансформаторов, на каждом из них дополнительно уста-
навливают отделители (трехполюсные разъединители с
автоматическим управлением). Отключение отделителя
поврежденного трансформатора осуществляется автома-
тически в бестоковую паузу после отключения питаю-
щей линии. После АПВ восстанавливается питание не-
поврежденных трансформаторов, оставшихся подклю-
ченными к линии.
В простейшем случае для отключения отделителя
используется специальное реле прямого действия —
блокирующее реле отделителя (БРО), установленное в
приводе отделителя и подключенное к трансформатору
тока, включенному в цепи короткозамыкателя. Под воз-
действием тока к. з. взводится боек БРО. После отклю-
чения защитой питающей линии и исчезновения тока в
цепи короткозамыкателя БРО срабатывает и отключает
отделитель. Однако такая схема автоматического отклю-
чения отделителя не нашла широкого распространения
из-за присущих ей недостатков: малой надежности БРО
и необходимости оснащения линии двукратным АПВ, по-
скольку при одновременном срабатывании быстродейст-
вующих защит линии и трансформатора (при повреж-
дении в трансформаторе) отделитель в первую бестоко-
вую паузу может не отключиться.
Более надежной является схема автоматического от-
ключения отделителя, использующая в качестве источ-
ника оперативного тока предварительно заряженную (от
зарядного устройства УЗ) батарею конденсаторов С, по-
казанную на рис. 9-9. При включении короткозамыкате-
ля К реле тока РТ размыкающим контактом запрещает
отключение отделителя О, пока не отключится выклю-
чатель питающей линии. Катушка отключения отделите-
ля КО подключается к конденсатору С после возврата
реле РТ и срабатывания реле РП. Задержка при сраба-
тывании реле РП предотвращает недопустимое отключе-
ние отделителя при прохождении через него тока к.з., ес-
ли вспомогательные контакты Ki замкнутся раньше ос-
новных контактов короткозамыкателя.
Следует отметить некоторые особенности защиты трансформа-
торов упрощенных подстанций при наличии короткозамыкателей и
отделителей.
213
L Если в качестве единственной основной защиты применяет,
ся газовая защита (трансформаторы небольшой мощности), то она
должна обеспечить включение короткозамыкателя при любых по-
вреждениях внутри бака трансформатора. Поэтому трансформатор
собственных иужд (ТСН) или трансформатор напряжения (TH)
уже не может служить источником оперативного тока для газовой
защиты, поскольку при повреждении силового трансформатора
оперативное напряжение может значительно снижаться. Единст*
Рис. 9-9. Схема отключения отделителя с применением батарей
предварительно заряженных конденсаторов.
венным надежным источником оперативного тока в данном случае
могут быть батареи предварительно заряженных конденсаторов.
2. Для включения короткозамыкателя на стороне высшего на-
пряжения трансформатора (и для отключения выключателя иа
стороне низшего напряжения) часто используют энергию предва-
рительно заряженных конденсаторов [46] при невозможности ис-
пользования схем с дешунтированием электромагнитов включения
короткозамыкателя и отключения выключателя (когда вторичные
- токи к. з. составляют более 150 А). Такие случаи характера для
трансформаторов ПО кВ малой мощности (2,5; 4; 6,3 MB-А) при
использовании встроенных во вводы трансформатора трансформа-
торов тока (типа ТВТ-110). Вместе с тем зарядные устройства,
включаемые на ТСН или TH, не могут обеспечить [46] заряд раз-
ряженных конденсаторов при включении трансформатора на трех-
фазное к, з. иа его выводах или на шинах НН подстанции. Поэтому
заряд конденсаторов в этих случаях обеспечивается применением
специального зарядного устройства, питающегося как от цепей на-
пряжения, так и от цепей тока.
3. Вследствие кратковременности разряда конденсатора * серь-
езные требования предъявляются к качеству наладки и состоянию
аппаратуры (короткозамыкателей и отделителей). Загрязнения,
окисление, загустение смазки могут привести к недопустимому за-
медлению действия этих аппаратов.
214
Применение подстанций е короткозамыкателями на
стороне высшего напряжения характеризуется увеличе-
нием времени отключения поврежденного участка из-за
сравнительно большого собственного времени включе-
ния короткозамыкателей. Этот недостаток можно исклю-
чить, если вместо короткозамыкателей использовать те-
леотключение. При передаче команды телеотключения
по кабелю предусматривается постоянный контроль со-
стояния его жил с помощью специального устройства
(например, типа УК-1).
В эксплуатации применяется также передача отклю-
чающего импульса по в. ч. каналу, организованному по
проводам линии электропередачи с помощью специаль-
ной аппаратуры в, ч. обработки (см. гл. 13) и специаль-
ных устройств высокочастотного телеотключения
(ВЧТО).
При повреждении трансформатора и срабатывании его защиты
одновременно с отключением выключателя и запретом его АПВ
подается по линиям сигнал телеотключения (ТО) к передатчику.
Сигнал по каналу связи подается на входы приемников питающих
подстанций, вызывая срабатывание на них промежуточных реле, от-
ключающих головные выключатели. С целью повышения надежно-
сти при осуществлении устройства телеотключения сохраняется и
короткозамыкатель.
9-7. СХЕМА ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА НА ПЕРЕМЕННОМ
ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ
На рис. 9-10 представлена схема защиты трансфор-
матора отпаечной подстанции. Оба контакта газовой за-
щиты (как сигнальный, так и отключающий) питаются
от трансформатора собственных нужд ТСН (рис. 9-10, а).
Это допустимо, поскольку имеется дифференциальная
защита, которая, являясь основной, резервирует дейст-
вие газовой защиты в случае отказа последней при по-
вреждениях трансформатора, сопровождающихся зна-
чительным снижением напряжения на шинах собствен-
ных нужд. Резистор 2СД (рис. 9-10, в), подключенный
параллельно обмотке реле ЗРИ (типа РП-26), увеличи-
вает ток в обмотке указательного реле 2РУ (типа РУ-21)
для обеспечения более четкой его работы. Реле ЗРП,
сработав, самоудерживается через размыкающий вспо-
могательный контакт короткозамыкателя //С. Резистор
1СД необходим для работы 2РУ при переводе действия
газовой защиты отключающим устройством 2ОУ на
сигнал,
215
Дифференциальная защита (1РНТ\ 2РНТ) (рис.
9-10, б) выполнена на реле РНТ-363 (с насыщающимися
трансформаторами) и действует на промежуточные вы-
ходные реле 1РП и 2РП (типа РП-341). Пуск реле
РП-341 осуществляется замыкающими контактами реле
Рис. 9-10. Схема защиты трансформатора отпаечной подстанции,
имеющего встроенные трансформаторы тока.
1РНТ, 2РНТ. Мощные контакты реле 1РП и 2РП, пере-
ключаясь, подключают трансформаторы тока к электро-
магнитам включения короткозамыкателя ]ЭВК, 2ЭВК и
электромагнитам отключения 1ЭО и 2ЭО выключателя
стороны низшего напряжения трансформатора. При под-
ключении электромагнитов возрастает нагрузка на пи-
тающие их трансформаторы тока. Для предотвращения
216
возврата пускового реле из-за увеличения нагрузки в то-
ковых цепях контакты реле 1РП и 2РП подключены па*
раллельно контактам пусковых реле защиты. Таким об-
разом, реле РП-341 самоудерживается за счет тока, про-
ходящего по его обмотке, независимо от положения
контактов пусковых реле. Чтобы обеспечить надежную
работу электромагнита, его ток срабатывания должен
быть [48] не более 0,8 тока срабатывания действующей
на него защиты. Поскольку чувствительность основных
токовых защит должна быть не менее 1,5, то при мини-
мальном токе к. з., при котором она обеспечивается, чув-
ствительность электромагнита будет не менее 1,5/0,8^
«2. Соблюдение этого условия важно, потому что при
малых токах, близких к току срабатывания, электро-
магнит работает замедленно и защита питающей линии
может сработать раньше, чем сработает электромаг-
нит короткозамыкателя. Это в свою очередь приведет к
неуспешному АПВ выключателя линии.
9-8. ОСОБЕННОСТИ АПВ ТРАНСФОРМАТОРОВ
На однотрансформаторной подстанции АПВ транс-
форматора является обязательным. Осуществление на
двухтрансформаторной подстанции АПВ трансформато-
ров рекомендуется, если при отключении одного транс-
форматора оставшийся в работе трансформатор не мо-
жет обеспечить питание нагрузки без отключения части
потребителей.
Запрет АПВ при повреждении внутри бака трансфор-
матора осуществляется с помощью сигнального контакта
газового реле.
Для осуществления АПВ трансформатора использу-
ются те же устройства, что и для АПВ линии. При этом
АПВ должно действовать с выдержкой времени для ис-
ключения его срабатывания при внутренних к. з., сопро-
вождающихся бурным газообразованием, когда отклю-
чающий контакт газового реле замыкается раньше, чем
сигнальный.
9-9, АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ РЕЗЕРВНОГО ИСТОЧНИКА
ПИТАНИЯ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ТРАНСФОРМАТОРА
На подстанциях широкое распространение получили
устройства автоматического включения секционного вы-
ключателя СВ при исчезновении питания на одной из
секций шин низшего напряжения.
217
Схема АВР СВ, выполненная с помощью реле
РПВ-358, представлена на рис. 9-11, Пуск АВР осуще-
ствляется при соблюдении следующих условий: несоот-
ветствие положения ключа управления (фиксируемого
с помощью реле 1РПФ, обмотки которого не показаны
Рис. 9-11. Схема АВР СВ с устройством выявления потери питания
и проверкой значения встречного напряжения.
на рис. 9-11, а) и выключателя 1В (рис. 9-11, а) (фикси-
руемого с помощью реле РПО, срабатывающего при от-
ключении выключателя). -При этом подается «минус» на
зажим 5 комплектного устройства РПВ-358 и происхо-
дит срабатывание АВР, Действие АВР контролируется
замыкающим контактом реле 2РПФ, который замыкает-
ся в случае срабатывания защиты от внутренних повреж-
дений в трансформаторе или защиты от потери пи-
тания.
Аналогичная цепь пуска АВР предусмотрена на рис.
9-11,2 и при отключении трансформатора Т2, питающе-
го вторую секцию подстанции 11с (рис. 9-11, а). Цепь
пуска АВР контролируется также размыкающим кон-
тактом РПФ, который замкнут при отключенном СВ.
Двухпозиционное реле РПФ срабатывает и переклю-
чает свои контакты при отключении СВ ключом управ-
ления КУ (фиксируя тем самым отключенное положение
выключателя) и при включении выключателя по любой
причине от контактов электромагнита включения СВ
(фиксируя включенное положение выключателя).
В рассматриваемой* схеме АВР предусмотрен также
контроль отсутствия напряжения на резервируемой сек-
ции шин, который осуществляется последовательно вклю-
ченными размыкающими контактами реле минимального
напряжения 1РН и 2РН, подающими «плюс» на зажим 6
комплектного устройства РПВ-358. Контроль отсутствия
напряжения необходим для предотвращения несинхрон- *
ного включения резервного источника питания на оста-
точное напряжение тормозящихся крупных синхронных
или асинхронных двигателей. Затухание э. д. с. синхрон-
ного электродвигателя при неотключенном возбуждении
будет происходить по мере уменьшения частоты враще-
ния, а при гашении поля — по мере уменьшения тока в
обмотке возбуждения.
Пуск АВР при исчезновении напряжения на секциях
шин, когда выключатель питающего трансформатора
останется включенным, с помощью минимальных реле
напряжения может оказаться неэффективным, посколь-
ку синхронные двигатели и конденсаторные батареи мо-
гут длительно поддерживать остаточное напряжение на
шинах, потерявших питание. Поэтому в рассматривае-
мой схеме пусковой орган АВР дополнен устройством
[52], реагирующим на снижение частоты и изменение на-
правления активной мощности. Этот пусковой орган
срабатывает при снижении частоты, если активная мощ-
ность через питающую линию или трансформатор стала
равной нулю или изменила направление.
Устройство состоит из реле частоты РЧ (рис. 9-11, в),
промежуточных реле РПЧ и РИМ, реле направления
мощности [РМ, 2РМ (рис. 9-11,6) ц реле време-
ни РВ.
219
К реле мощности подводятся линейное напряжение и
ток отстающей фазы: и —/с; Uca и —/а- При таком
включении и внутреннем угле, равном 30°, реле имеет
положительный момент при направлении активной мощ-
ности к шинам и отрицательный — при направлении ак-
тивной мощности от шин; реле’подключается таким об-
разом, чтобы при направлении мощности к потребителю
контакты его были замкнуты. Необходимость двух реле
направления мощности объясняется тем, что при двух-
фазном к^ з. за трансформатором одно из реле может
сработать неправильно. Уставка срабатывания по часто-
те реле РЧ принимается равной 48—48,5 Гц [51]. Для
облегчения работы контактов реле направления мощно-
сти и уменьшения нагрузки на трансформатор напряже-
ния напряжение на обмотки реле мощности подается
после снижения частоты. Если срабатывание реле час-
тоты будет обусловлено снижением частоты в энергоси-
стеме, контакты РЧ замкнутся, сработает реле РПЧ,
а реле времени (с уставкой 0,3—0,5 с) не сработает, так
как контакты реле РПМ останутся разомкнутыми (мощ-
ность направлена к шинам, и контакты 1РМ и 2РМ замк-
нуты).
Если срабатывание реле РЧ произойдет вследствие
затухания напряжения на шинах подстанции при поте-
ре питания, контакты реле направления мощности оста-
нутся разомкнутыми и реле времени сработает.
Запрет АВР осуществляется подачей «плюса» на за-
жим 8 от замыкающего контакта РПФ, который замкнут
при включенном СВ.
Важно отметить, что устройство АВР СВ должно работать
только при потере питания (отключении питающей линии) и при
внутренних повреждениях трансформатора. В остальных случаях
отключения выключателя на низшей стороне трансформатора (от
токовых защит) должно работать АПВ шин низшего напряжения
путем повторного включения основного источника (трансформато-
ра). Такое разграничение действия устройств АПВ и АВР СВ вы-
звано тем, что прн включении секционного выключателя на к.з.
имеется опасность отключения второго трансформатора и полного
обесточения потребителя (прн отказе защиты секционного выклю-
чателя или неисправности самого выключателя). Для реализации
указанного сочетания действия устройств АПВ и АВР СВ в схемах
защиты трансформатора устанавливается [51] специальное реле
2РПФ, запоминающее работу защит от внутренних повреждений и
потери питания.
В отдельных случаях Запрещается работа устройства
АВР при наличии замыкания на землю в резервируемой
220
или резервирующей сети из-за опасения повышенной ве-
роятности перекрытия другой фазы вследствие коммута-
ционных перенапряжений в момент включения СВ. При
этом может возникнуть двойное замыкание на землю —
одно на резервирующей части сети, другое — на резерви-
руемой, Действие АВР должно также запрещаться, если
основной источник питания будет отключен от АЧР.
9-10. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТРАНСФОРМАЦИИ |АРКТ)
С целью поддержания требуемого уровня напряжения
широко распространено регулирование напряжения [7П
у потребителей (рис. 9-12) путем изменения коэффици-
Рнс 9-12, Поясняющая схема (а) и характеристика изменения на-
пряжения у потребителя при наличии АРКТ (б).
ента трансформации трансформаторов понижающих под-
станций, питающих распределительную сеть. Для изме-
нения коэффициента трансформации под нагрузкой
трансформаторы оборудуются устройствами РПН (пере-
ключение отпаек под нагрузкой). Автоматическое изме-
нение осуществляется специальным регулятором
АРД7, воздействующим на РПН.
В общем случае электрическая сеть, получающая пи-
тание от шин подстанции, может быть разветвленной и
питать значительное количество нагрузок. При этом наи-
более выгодно поддерживать неизменным напряжение в
некоторой контролируемой точке, представив развет-
вленную сеть в виде эквивалентной линии с одной на-
грузкой на конце. Поскольку значение напряжения Un
221
при данном напряжении на шинах иш зависит от паде-
ния напряжения в эквивалентной линии (Un=lAn—»
—2э,л/п), то напряжение должно быть тем больше^
чем больше нагрузка потребителя. Такое регулирование
напряжения получило название встречного регу-
лирования.
Неизменность напряжения в контролируемой точке
сети при различных режимах нагрузки может быть обес-
печена, если смоделировать на входе измерительного ор-
гана АРКТ напряжения, существующие в регулируемой
цепи. Для этого к нему необходимо подвести напряже-
ние
(9-17)
Измерительный орган АРКТ является регулятором
по отклонению напряжения от заданного значения
САюнтр, пропорционального напряжению в контролируе-
мой точке. Если о/ будет равно падению напряжения в
эквивалентной линии Хэ,л (от шин подстанции до контро-
лируемой точки), т. е. то при наличии АРК?
напряжение у потребителя (в контролируемой точке) бу-
дет соответствовать заданному значению. Из сказанного
следует необходимость ввести в измерительный орган
напряжения АРКТ сигнал, пропорциональный току на-
грузки. Целесообразно использовать суммарный ток на-
грузки, поскольку при различных графиках изменения
нагрузок потребителей регулирование по суммарному
току более точно отвечает необходимому закону регули-
рования.
Измерительный орган подключается к трансформа-
тору напряжения TH и трансформаторам тока ТТ (рис.
9-12, а).
Прн отключении выключателя В (рис, 9-12, а) АРКТ необхо-
димо вывести из работы, что производится вспомогательным кон-
тактом В путем отсоединения выхода АРКТ от приводного меха-
низма ПМ устройства РПН.
На двухтрансформаторных подстанциях, работающих с отклю-
ченным СВ, АРКТ устанавливается на каждом трансформаторе.
При отключении одного из трансформаторов и включении секцион*
кого выключателя следует убедиться (у АРКТ оставшегося в ра-
боте трансформатора) в правильности поддержания напряжения
при встречном регулировании, и при необходимости изменить зна-
чение о.
Особенностями АРКТ являются релейность действия,
наличие зоны нечувствительности t/H4, вы-
222
бираемой большей, чем ступень изменения напряжения
Д/7ст при переключении одной отпайки:
(1,25- 1,3) At/CT.
Переключение отпаек необходимо производить с вы-
держкой времени, обеспечивающей отстройку от крат-
ковременных колебаний напряжения (например, при
пуске электродвигателей). Поэтому при выходе напря-
жения у потребителя из зоны нечувствительности регу-
лятора (рис. 9-12, б) АРКТ через время /ср=1ч-2 мин
воздействует на РПН.
На Рижском заводе ПО «Союзэнергоавтоматика» разработан
регулятор типа БАУРПН (блок автоматического управления РПН),
который выполняется на полупроводниковых приборах, имеет не-
большие габариты и малое потребление по цепям напряжения и
тока. Зона нечувствительности регулятора может быть плавно из-
менена от 0 до 6% номинального напряжения. Функциональная схе-
ма АРКТ и диаграммы, характеризующие его работу, представле-
ны на рнс. 9-13, а, б, Регулятор состоит из измерительной части
ИЧ, логической части ЛЧ и исполнительных реле 1Р и ТР. Изме-
рительная часть содержит измерительный орган ИО напряжения,
сравнивающий напряжение t/p на своем входе с заданным значе-
нием (/контр, и элемент встречного регулирования ЭВР, который
формирует входное напряжение (/Р измерительного органа ИО в
соответствии с (9-17).
Если значение L/p превышает верхнюю границу зоны нечувст-
вительности (L/p>L/Bepx) (рнс. 9-13, 6), то иа выходах ИО имеют-
ся напряжения L/f и U2. Если L/P находится в зоне нечувствитель-
ности (t/HHJKH<t/p<t/верх), то напряжение имеется только на
одном., выходе L/з. При (/р*<(/нижн на обоих выходах ИО напряже-
ния отсутствуют. Как видно из логической схемы и диаграмм
(рнс. 9-13,6), при t/p>-L/sepX срабатывает реле IP (L/6) с выдерж-
кой времени, обусловленной наличием элемента выдержки време-
ни 5, и воздействует на РПН в сторону уменьшения напряжения.
При (7Р < (Лижи срабатывает реле 2Р (с/9) и запускает привод
РПН в сторону увеличения напряжения мш. Действие на увеличе-
ние напряжения возможно только при отсутствии сигнала на его
снижение, что обеспечивается элементами 5 (И) н 6 (НЕ),
На рис. 9-14 представлена принципиальная схема управления
двигателем ПМ переключающего устройства РНТ-13 с приводным
механизмом иа переменном оперативном токе типа ПДП-1. Двига-
телем можно управлять нли днстапцнонно ключом управления КУ
(ключ режима КР при этом в положении ,Д), или автоматически
от АРКТ (КР в положении А). При автоматическом управлении
схема начинает работать прн замыканнн контактов одного из вы-
ходных реле АРКТ 1Р (Убавить) или 2Р (Прибавить) (рис. 9-13).
Если, например, напряжение t/p на входе измерительного ор-
гана АРКТ превышает верхнюю границу зоны нечувствительности
АРКТ, то через время tCp замыкаются контакты 1Р (рис. 9-14),
что приводит к срабатыванию контактора 1К- Контактор 1К само-
удержнвается вспомогательным контактом IK2 и запрещает сра-
батывание контактора 2К (вспомогательным контактом 1К\). Са-
223
моу дер жива ние контактора осуществляется через контакт БК ба*3
рабана контроллера БК (контакты БК замкнуты в течение всепй
времени переключения отпаек обмотки регулируемого трансформа*^
тора и размыкаются после завершения переключения каждой CTy<J
пени). Контактор 1К своими основными контактами подключаете
двигатель ПМ к источнику питания (шинки АВС) таким образом,^
Что двигатель, вращаясь, переключает отпайки .трансформатора я
сторону увеличения коэффициента трансформации трансформатора,
Т. е. в сторону уменьшения Um, Если после переключения одноф
отпайки напряжение Up вошло в зону' нечувствительности АРКТ
(1Р на рис. 9-13 размыкается), то с завершением переключения
< ^нижн
Укентр
Рис. 9-13. Функциональная
схема (а) и диаграммы, по-
ясняющие работу АРКТ (б).
224
этой ступени работа схемы заканчивается, так как БК размыкает-
ся и 1К отключается. Если L/p не вошло в зону нечувствительно-
сти, то происходит переключение следующей ступени и т. д. После
завершения переключения крайней ступени размыкается концевой
выключатель ВК и действие РПН прекращается.
Рис 9-14. Принципиальная схема управления двигателем приводно-
го механизма РПН.
При сниженном напряжении (£/р<£/нижп) схема работает
аналогично. При этом срабатывает 2К н двигатель ПМ вращается
в другую сторону вследствие изменения порядка чередования фаз
на его зажимах.
В случае исчезновения напряжения питания ПМ в процессе
переключения после его восстановления переключение с помощью-
БК завершается только в сторону уменьшения регулируемого на-
пряжения.
Если характер изменения нагрузок отдельных групп потребите-
лей значительно различается, регулирование с помощью АРКТ на-
пряжения у одних потребителей может вызвать недопустимые от-
клонения напряжения у других потребителей. Лучшие результаты
могут быть обеспечены, если контролировать напряжение по мень-
шей мере в двух точках распределительной сети. Логика действия
АРКТ при этом должна быть следующей. Если напряжения L/m и Un
(рнс. 9-15) в обеих контролируемых точках вышли из зоны нечувст-
вительности в сторону понижения, то регулятор действует иа повы-
15—529
225
шение напряжения. Если напряжение хотя бы одной из контролируй
емых точек превысило верхнюю границу L/Bepxt или Д/Верх2 зоны де*
чувствительности, например, при /Пагр—/'нагр регулятор действует в
сторону понижения напряжения.
Рис. 9-15. Диаграммы, поясняющие* логику действия АРКТ,
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
В системах электроснабжения широко распростране-
ны трехфазные асинхронные двигатели (АД).
Они надежны и просты в обслуживании. Однако асин-
хронные двигатели потребляют относительно большую
реактивную мощность, что является их недостатком. Всё
большее распространение получают синхронные
двигатели (СД), особенно для привода Механизмов,
не требующих регулирования частоты вращения. Устрой-
ства автоматического регулирования возбуждения син-
хронных двигателей обеспечивают резкое увеличение от-
даваемой, ими реактивной мощности при снижении на-
пряжения в системе электроснабжения, что является
эффективным средством повышения устойчивости рабо-
ты электроустановок.
10-1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ. ВИДЫ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ
И АВТОМАТИКИ
Наиболее частым и опасным видом повреждений
электродвигателей являются многофазные к. з. на вы-
водах и в обмотках статора, сопровождающиеся прохож-
226 -
дением больших токов, которые вызывают значительные
разрушения обмоток и стали' электродвигателя. Много-
фазные к. з. сопровождаются понижением напряжения в
питающей сети, что в свою очередь тяжело отражается
на работе других токоприемников системы электроснаб-
жения. Междуфазные к. з. в электродвигателях должны
отключаться без выдержки времени.
Другим видом повреждения является однофазное за-
мыкание обмотки статора на землю. В сетях 3—10 кВ
токи замыкания на землю обычно не превосходят 20—
30 А, поэтому этот вид повреждения менее опасен, чем
многофазные к. з. Если ток замыкания на землю пре-
вышает 10 А для двигателей мощностью до 2000 кВт и
5 А для двигателей более 200© кВт, то защита должна
действовать на отключение. При меньших токах замыка-
ния на землю допустимо действие защиты на сигнал, од-
нако в ряде случаев в соответствии с требованиями тех-
ники безопасности защита должна также действовать на
отключение.
Если в изоляции обмоток статора имеются ослаблен-
ные места, то в режиме однофазного замыкания в сети,
когда напряжение на неповрежденных фазах возрастает
до значения линейного, возможны пробой изоляции ста-
торной обмотки и возникновение двойного замыкания на
землю (одна точка замыкания — в сети, а другая — в од-
ной из фаз статорной обмотки). В промышленных элек-
троустановках, электрические сети которых имеют боль-
шую протяженность, двойные замыкания на землю яв-
ляются основным видом повреждений промышленных
электродвигателей/
Тяжелым видом повреждения является замыкание
витков в одной фазе обмотки статора, поскольку значе-
ние тока в месте повреждения может быть соизмеримо
сд значениями тока при многофазных к. з.
Защиту электродвигателей нобходимо выполнять воз-
можно более простой и надежной, что особенно важно
Для электродвигателей напряжением выше 1000 В, по-
скольку отказ основной защиты даже при надежном дей-
ствии резервной защиты смежного элемента может при-
вести к серьезным повреждениям, требующим длитель-
ного ремонта или полной замены электродвигателя,
Й также к нарушению устойчивой работы неповрежден-
йой части системы электроснабжения, поэтому защита от
Многофазных к. з, должна быть быстродействующей.
ГБ*
227
Требование быстродействия является обязательны^
также для защиты от однофазных к. з. двигателей на*
пряжением ниже 1000 В. Для электродвигателей напря*
жением выше 1000 В допустимо вводить в защиту одно*
фазного замыкания на* землю выдержку времени 1—2 с;
если без этого нельзя обеспечить необходимую чувстви-
тельность.
Двойные замыкания на землю в электродвигателях
3—10 кВ, как и многофазные к. з., должны отключаться
без выдержки времени. Защита от многофазных к. з. ие
всегда может обеспечить отключение этих видов повреж-
дений (из-за недостаточной чувствительности, а также
когда одно из мест замыкания находится в фазе, где нет
трансформатора тока). Поэтому часто функции защиты
от двойных замыканий на землю выполняет защита От
однофазных замыканий. Когда эта защита имеет выдерж-
ку времени, устанавливают дополнительное более гру-
бое реле тока, обеспечивающее отключение электродви-
гателя без выдержки времени при двойных замыканиях
на землю, Если же защита от однофазных замыканий иа
электродвигателе не устанавливается, то защита от мно-
гофазных к. з. должна быть чувствительной к двойным
замыканиям. Для этого выполняют дифференциальную
токовую защиту в трехфазном исполнении.
Для ответственных двигателей, выполненных с парал-
лельными ветвями обмотки статора, соединенными в
звезду, устанавливается поперечная дифференциальная
защита, реагирующая на витковые замыкания в одной
фазе.
Для синхронных двигателей кроме указанных воз-
можны также повреждения цепи возбуждения: обрыр и
замыкания на землю в одной или двух точках. При об*
рыве цепи возбуждения СД переходит в асинхронный ре-
жим, продолжительное существование которого недопус-
тимо. Замыкание на землю в одной точке цепи возбуж-
дения может привести (при возникновении замыкания
во второй точке) к к. з., способному вызвать большие
разрушения, а также вибрацию ротора.
Для СД необходима специальная защита от обрыва
цепи возбуждения.
Специальной защиты от замыканий на землю в од-
ной точке цепи возбуждения СД обычно не устанавли-
вают, если двигатель оперативно может быть выведец
в ремонт. Прн отсутствии такой возможности устанав*
228
дивают временную защиту от появления второго замы-
кания на землю в цепи возбуждения.
Основным видом ненормального режима электро-
двигателей является прохождение в статоре токов, пре-
вышающих номинальный. Появление сверхтоков в
статоре обусловливается следующими причинами: пере-
грузка приводимого механизма; снижение частоты вра-
щения и выход из синхронизма СД в результате кратко-
временного снижения напряжения на зажимах с после-
дующим его восстановлением; обрыв - одной из фаз
питающей цепи; повреждение механической части или
приводимого механизма.
При длительной перегрузке повышается температура
статорной обмотки, что приводит к ускоренному износу
изоляции. Однако кратковременные перегрузки элект-
родвигателя допускаются. Например, наибольшие сверх-
токи бывают при пуске двигателя. Поэтому защита от
перегрузки должна действовать на отключение, но с
выдержкой времени, превышающей время пуска элект-
родвигателя.
Допустимое время перегрузки зависит от значения
тока в обмотках статора, а также от ряда других фак-
торов (предварительной нагрузки, массы электродвига-
теля и т. д.). Для релейной защиты допустимое время
^доп.п перегрузки обычно оценивают упрощенным выра-
жением
доп.п --
А
k2 — 1
(10-1)
где k — кратность тока перегрузки по отношению к но-
минальному току обмотки статора; А — коэффициент,
зависящий от типа и исполнения двигателя.
Значение коэффициента А ориентировочно принима-
ют равным 250 для закрытых электродвигателей и
150 — для открытых [54].
Если позволяют условия работы, целесообразно осу-
ществлять действие защиты от перегрузка на разгрузку
приводимого механизма.
При снижении напряжения с последующим его вос-
становлением происходит самозапуск электродвигате-
лей. Под самозапуском понимается разворот, восстанов-
ление нормальной частоты вращения и вхождение в.
синхронизм синхронных двигателей после восстановле-
ния питания, потерянного из-за кратковременного от-
229
ключения источника или глубокого снижения напряжеЦ
ния вследствие к. з. на смежных элементах сети. |
Однако следует обратить внимание на различие процессов
прежде всего изменения тока статора) при потере питания пос*
ледующим действием устройства АПВ или АВР источника) по cpafri
нению со случаем понижения напряжения при к. з. на смежных элей
ментах. В первом случае из-за несинхронного включения возбужден-
ных синхронных двигателей токи в обмотках могут существенно
превышать значения их при к. з. на выводах двигателя. Во втором
случае токи, как правило, меньше, чем при несинхронном включения,
поскольку результирующий магнитный поток двигателя ослаблен нз*
за размагничивающего эффекта тока к. з.
Явнополюсиые синхронные двигатели мощностью до 1000 кВт*
как правило, допускают несинхронное включение. Для двигателей
выше 1000 кВт допустимость несинхронного включения определяет-
ся [51] током или моментом при несинхронном включении.
Когда условие допустимости несинхронного включения не вы-
полняется, предусматривают гашеине поля сразу же после выявле-
ния потерн питания. При этом достаточно [51] ограничиться гаше-
нием поля до значений, при которых напряжение иа выводах дви-
гателей снизится до (0,5—0,6) t/ном. Тем самым уменьшается время
перерыва питания (по сравнению со случаем гашения поляКдо нуля)
и увеличивается вероятность успешного самозапуска.
Для обеспечения самозапуска двигателей ответствен-
ных механизмов и предотвращения несинхронного
включения СД применяется защита от потери питания,
в качестве которой используется, как правило, мини-
мальная защита напряжения. Защита действует на от-
ключение или развозбуждение электродвигателей во
избежание: несинхронного включения СД; повторного
пуска после останова из-за длительного (более 1—9 с)
отсутствия напряжения; самозапуска двигателей, не
подлежащих самозапуску при его затягивании (на АД
с короткозамкнутым ротором) или его тяжелых условиях
(особенно на АД с фазным ротором). Время действия
защиты на отключение группы неответственных АД
принимают равным 1—2 с для предотвращения ненуж-
ных отключений при внешних к. з., отключаемых быст-
родействующими защитами.
Ненормальным режимом синхронных двигателей
является асинхронный ход, появляющийся вследствие
выпадения СД из синхронизма.
При асинхронном режиме перегружаются демпфер-
ные контуры двигателя, не рассчитанные на длительное
протекание тока. Особенно опасен асинхронный режим
возбужденного СД, когда максимальные значения тока
статора превышают пусковые. .Поэтому применяют
230
защиту от асинхронного режима, действующую на вос-
становление синхронного режима или па отключение
СД.
Восстановление синхронного режима после выхода
СД из синхронизма (после понижения напряжения, пе-
регрузки и т. д.) осуществляется путем автоматической
ресинхронизации.
Успешная ресинхронизация без снятия возбуждения
СД возможна, если для всех значений скольжения — от
единицы до критического — асинхронный момент пре-
вышает механический и генераторный моменты от тока
возбуждения. Так, для двигателей с электромашинным
возбудителем [51] это обеспечивается при условии, что
нагрузка двигателя не превышает (0,6—0,7) Рвом. Сле-
дует отметить, что условия успешной ресинхронизации и
допустимости несинхронного включения синхронных
двигателей противоречивы: для обеспечения несинхрон-
ного включения необходимо, чтобы напряжение на их
выводах было меньше, а для обеспечения успешной
ресинхронизации напряжение на выводах двигателей
должно быть по возможности больше.
Одновременное выполнение этих требований возможно
для двигателей малой мощности (до 1000 кВт). Для
двигателей большей мощности ресинхронизацию осу-
ществляют при предварительно снятом (в процессе са-
мозапуска) возбуждении.
Как правило, при снятии возбуждения обмотка ро-
тора замыкаемся на разрядное сопротивление, чем обес-
печивается разгон двигателя до подсннхронной частоты
вращения. ' .
Чем меньше время перерыва питания, тем меньше
скольжение, больше сопротивление двигателя, больше
напряжение на его выводах и больше значение асин-
хронного момента. Поэтому стремятся к максимально
возможному быстродействию защит и устройств АПВ и
АВР, Когда не допускается несинхронное включение,
осуществляют гашение поля сразу же после выявления
потери питания, осуществляя АПВ источника (или АВР)
после снижения напряжения на выводах двигателя до
допустимого значения.
Применение схем ресинхронизации, предусматрива-
ющих кратковременное отключение обмотки возбужде-
ния, позволяет обеспечить самозапуск СД. Кроме того,
следует отметить, что при глубоких посадках напряже-
231
ния (ниже 0,4 {7H0M) на выводах СД при к. з. на смеж^
вых элементах, учитывая' тормозной эффект от тока
внешнего к. з., необходимо [51] автоматически огранив
чивать форсировку возбуждения СД, прекращая ее
действие, если длительность глубокой посадки превыз
шает 0,2 с.
При недостаточной мощности источника питания и
понижениях напряжения приходится отключать и части
ответственных двигателей. Их повторное включение по
окончании самозапуска неотключенных двигателей
осуществляется устройством АПВ двигателей.
При обрыве одной фазы питающей цепи обмотки
оставшихся в работе фаз перегружаются током, функции
защиты от обрыва фазы часто возлагаются на защиту
от перегрузок. Однако в ряде случаев предусматривает-
ся специальная защита от однофазного режима работы
электродвигателя.
На промышленных предприятиях получили распространение бло-
ки трансформатор — электродвигатель со схемой соединения транс-
форматора звезда—треугольник напряжением 10/6 или 10/3 кВ.
При защите таких блоков учитывают необходимость:
повышенной чувствительности защиты от многофазных к. з.,
поскольку токи к. э. ограничены сопротивлением трансформатора;
отстройки защит блоков от бросков тока намагничивания тран-
сформаторов при включении блока;
установки газовой защиты для трансформатора блока.
Кроме того, необходимость в защите двигателя от замыкания
на землю отпадает из-за малого (значительно меньше 5 А) значения
тока замыкания на землю.
Кроме перечисленных автоматических устройств
предусматривают,- устройства автоматического регули-
рования возбуждения (АРВ) СД, а также устройства
автоматического пуска и останова СД.
10-2. ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКЕ СТАТОРА
Для защиты двигателей напряжением ниже 1000 В
широко используются плавкие предохранители, а также
электромагнитные и тепловые расцепители выключате-
лей низкого напряжения (автоматов). Такая токовая
защита может защищать двигатели не только от к. з.,
но и от перегрузок.
Электродвигатели, подключаемые к питающей сети
через контакторы, имеют защиту от к. з. в виде токовой
отсечки, выполненной с помощью электромагнитных
232
реле косвенного действия. Токовые реле включаются в
каждую фазу статора непосредственно (реле 1РТ —
ЗРТ на рис. 10-1) или через трансформаторы тока.
Защита электродвигателей напряжением 3—10 кВ осу-
ществляется с помощью вторичных реле тока или ком-
бинированных реле тока и времени прямого или косвен-
Рис. 10-1. Токовая защита двигателя от коротких замыканий и пе-
регрузок
иого действия. Для двигателей мощностью до 5000 кВт
защита от многофазных к. з., как правило, выполняется
в виде токовой отсечки без выдержки времени, отстро-
енной от броска пускового тока Iп» max*
fc,3 kiy^Inontax* (10-2)
Коэффициент отстройки kOTC принимается равным
1,8 для реле типа РТ-40 или ЭТ-521 и 2 для реле типа
РТ-80 или ИТ-80, а также для реле прямого действия
вследствие меньшей точности этих реле.
Ток срабатывания реле отсечки /с,р принимается
равным
(10-3)
' *с,р ’— &отс ^сх In>max
где kCK — коэффициент схемы.
Для электродвигателей мощностью до 2000 кВт часто
применяют наиболее простую и дешевую однорелейную
схему с реле, включенными на разность токов двух фаз.
Чувствительность отсечки при двухфазном к. з. на вы-
водах двигателя должна быть не менее двух, так что
233
для 4однорелейной схемы она может оказаться недо-
статочной при Кав ' или *7СЬ3с . Для повышения чувст-
вительности отсечку выполняют двухрелейной с вклю-
чением двух реле на токи двух фаз по схеме неполной,-
звезды, у которой чувствительность одинакова при всех
видах многофазных к.з. Двухрелейная схема применя-
ется также, когда это целесообразно по исполнению
защиты, выполненной комплектно, или когда применяе-
мый привод выключателя имеет соответствующее число
токовых реле прямого действия.
Рис, 10-2. Схемы, поясняющие
ной защиты электродвигателя.
а ~ асинхронного; б — синхронного.
принцип действия диффереициаяь-
Если электродвигатели не имеют защиты от замыка-
ний на землю, то для защиты от двойных замыканий
на землю токовая отсечка выполняется трехрелейной с
тремя ТТ по схеме полной звезды.
Для повышения чувствительности защиты, когда
&ч<2 при к.з. на выводах, выполняют дифференциаль-
ную защиту. Ее установка считается обязательной для
электродвигателей мощностью 5000 кВт и более. >
При к.з. в обмотках статора АД или невозбужден-
ного СД (например, в процессе пуска) в реле проходит *
(рис. 10-2,а) вторичный ток к.з., обусловленный только
питающей стороной. При к. з. в обмотке возбужденного
СД вторичный ток к. з., протекающий в реле (рис. 10-2, б)
увеличивается из-за подпитки током /д, вызванным
э.д.с. СД.
234
Для электродвигателей, имеющих защиту от одно-
фазных замыканий на землю, дифференциальная за-
щита может выполняться двухфазной двухрелейной;
защита от однофазных замыканий при этом выполня-
ет также функции защиты при двойных замыканиях.
Ток срабатывания защиты с коэффициентом Лоте
отстроен от тока небаланса, возникающего При проте-
кании пускового тока двигателя (считая пусковым током
наибольший ток, проходящий по обмотке при прямом
пуске без токоограничивающих устройств);
Л,з ^Лотс Лапер ЛОдн /Ном//Ст> (10-4)
где — кратность-пускового тока.
При использовании реле типа РНТ-565 коэффициент,
учитывающий апериодическую составляющую, прини-
мается равным 1, а при использовании обычных макси-
мальных реле тока Лапер принимается равным 2.
Если применяется защита с реле РТМ прямого дейст-
вия, то при однотипных трансформаторах тока реко-
мендуется /с,з= (1,5-У-2) /ном.
Применение защит с током срабатывания, меньшим
поминального, нежелательно для двигателей ответст-
венных механизмов, поскольку при этом возможны лож-
ное срабатывание защиты и отключение электродвига-
теля при обрыве цепи циркуляции.
Чувствительность дифференциальной токовой защиты
проверяется по двухфазному к.з. на выводах двигателя/
10-3. ЗАЩИТА ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ ОБМОТКИ
СТАТОРА НА ЗЕМЛЮ
Защита устанавливается на электродвигателях мощ-
ностью до 2000 кВт, если ток замыкания на землю /3 пре-
вышает 10 А, а на электродвигателях мощностью более
2000 кВт при токе замыкания на' землю /3^5 А
и действует на отключение электродвигателя и ав*
томат гашения поля (у СД), Защита выполняется с по*
мощью токового реле РТ, подключенного к фильтру
токов нулевой последовательности (рис. 10-3). При пе-
ремежающемся замыкании па землю броски емкост-
ного тока неповрежденного электродвигателя достига-
ют трех-, четырехкратных значений собственного
емкостного тока /с, поэтому при выборе первичного
235
тока срабатывания 7с,з учитывается отстройка от броска
с коэффициентом отстройки k0TC = 1,24-1,3:
7с,з ^отс &бр • ЦО-5)
При этом для электродвигателей мощностью до
2000 кВт 7С;з должен быть не более 10 А, а для двигате-
лей мощностью выше 2000 кВт — не более 5 А. Если в
Рис. 10-3. Двухрелейная токовая защита нулевой последователь-
ности.
соответствии с (10-5) ток 7С,3 получается большим ука-
занных значений (при k6p — 3-?4), то защиту выполня-
ют с выдержкой времени 1—2 с, выбирая соответствен-
но меньшие значения &бр (1,5—2).
Значения 1с обычно меньше 1 А для электродвига-
телей мощностью до 10 000 кВт. В качестве фильтра
нулевой последовательности используют кабельные
трансформаторы тока типов ТЗЛ, ТЗРЛ, надетые на
каждый из параллельных кабелей. Вторичные обмотки
трансформаторов тока включаются последовательно.
При большом числе кабелей применяют трансформато-
ры типа ТНП (рис. 10-3) с подмагничиванием перемен-
ным током. Трансформаторы этих типов маломощны.
Поэтому для увеличения отдаваемой мощности подби-
рают сопротивление нагрузки ZH так, чтобы оно было
близко к значению внутреннего сопротивления самого
трансформатора (ZH^ZT,T,x).
Первичный ток срабатывания защиты не .более 5 А
для двигателей мощностью выше 2000 кВт обеспе-
236
чивается только с помощью специального реле РТЗ-50
(рис. 10-4), обозначенного в схеме (см. рис. 10-3) как
РТ. Это транзисторное реле, обладая большой чувстви-
тельностью (ток срабатывания реле равен 0,03 А при
первичном токе 3 А) и высоким коэффициентом возврата,
довольно сложно и требует дополнительного питания
постоянным током 220 В (зажимы 4, 8, рис. 10-4) или
Рис. 10-4, Принципиальная схема реле РТЗ-50.
переменным током 100 В от трансформатора напряже-
ния (зажимы 2, 4, рис. 10-4). Реле состоит из выходного
трансформатора ТТ, выпрямительного устройства КЦ1,
усилителя постоянного тока, исполнительного органа
РП и блока питания. Первичная обмотка трансформа-
тора ТТ имеет четыре вывода (а, б, в, г), выведенных
на плату и позволяющих изменять диапазон шкалы то-
ков срабатывания. Разрядник Р защищает элементы
схемы от импульсов напряжения, возникающих во вто-
ричной обмотке ТТ при больших токах. Усилитель по-
стоянного тока выполнен на транзисторах Т1 и Т2. Ре-
зистором R7, включенным в цепь смещения триода Т1,
осуществляется плавное изменение уставки. Резисторы
R13 и R14 включаются только при питании реле напря-
жением постоянного тока.
Для действия защиты (см. рис. 10-3) при двойных
замыканиях на землю без выдержки времени во вто-
ричную цепь ТНП включается второе токовое реле
1РТ с первичным током срабатывания 150—200 А. За-
щиту от двойных замыканий на землю целесообразно
предусматривать даже при трехфазном исполнении
£37
продольной дифференциальной защиты, поскольку пос-
ледняя может оказаться нечувствительной при двойном
замыкании на землю через переходное сопротивление.
В рассматриваемой защите (см. рис. 10-3) дополни-
тельный небаланс, возникающий из-за неполной сим-
метрии фаз в магнитопроводе, а также из-за наличия
подмагничивания, учитывается так же, как в защите
генератора (см. § 7-7).
Специальный контроль исправности цепи подмагни-
чивания не предусматривается, поскольку обрыв этой
цепи лишь загрубляет защиту, не нарушая селектив-
ности несрабатывания. Подключение цепей подмагничи-
вания к ТНП выполняют через замыкающий вспомога-
тельный контакт выключателя В электродвигателя.
Если цепи питания реле РТЗ-50 (РТ на рис. 10-3) подключены
к фазам а и b или b и с ТСН, а цепь подмагничивания ТНП — н$
линейное напряжение Uab или VBct то прн замыканнн фазы В (вне
зоны действия двухфазной дифференциальной защиты) н любой нз
двух других фаз сети будет иметь место загрубление в срабатыва-
нии реле РТЗ-50 н защита может отказать. Для исключения этого
предусматривают подключение цепей подмагничивания к а пи-
тание РТЗ-50 — от оперативного постоянного тока (см. рис. 10-3)
или от шинок Л н С трансформатора напряжения.
tG-4. ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Защита от перегрузки АД напряжением ниже
1000 В выполняется токовой или температурной, реаги-
рующей на повышение температуры обмотки или дру-
гих частей двигателя. Защита может выполняться с
помощью автоматических выключателей с замедленным
срабатыванием или реле косвенного действия — тепло-
вых или электромагнитных. Магнитный пускатель со-
держит два тепловых реле (рис. 10-5)» которые отклю-
чают электродвигатель в зависимости от количества
тепла, выделенного в них. Номинальный ток теплового
реле /р,ном и номинальный ток /Нагр,ном его сменного
нагревателя выбирают, исходя из номинального тока
двигателя:
р,ном
нагр.ном •
(10-6)
7д,ном А/’Ст
Для схемы рис. 10-5 = 1.
Температурная защита использует измерительные
преобразователи нагрева обмоток двигателя: темпера-
турные реле и терморезисторы, встраиваемые в лобовые
238
части обмотки статора [56]. Такая защита нашла при-
менение для двигателей открытых установок.
Для АД низкого напряжения, защищаемых от к. з.
с помощью предохранителей, целесообразно осущест-
вление защиты от перегрузки, вызванной обрывом фазы.
Схема такой защиты приведена на рис. 10-5. При пере-
горании одного из предохранителей в обмотке соответ-
ствующего реле обрыва фазы 1ОФ—ЗОФ возникает на-
пряжение, реле своим контактом разрывает цепь само-
удерживания контактора К и двигатель отключается.
Рис. 10'5. Защита АД низкого напряжения от перегрузки на тепло-
вых реле. '
Защита от перегрузки АД напряжением выше
1000 В редко осуществляется тепловыми реле из-за их
недостаточной надежности и необходимости* помещать
их в те же температурные условия, в которых работают
сами двигатели. *
Наиболее распространена защита на основе одного
индукционного реле серии РТ-80, включаемого на раз-
ность токов фаз А и С. При этом индукционный эле-
мент с выдержкой времени, зависимой от кратности
тока, используется для защиты от перегрузки, а эле-
мент без выдержки времени — для выполнения отсечки
(например, реле РТ-82). Когда необходимо выполнить
действие защиту от перегрузки на сигнал или разгруз-
ку приводимого механизма,ч применяют реле РТ-84.
239
Ток срабатывания /с,р реле выбирается из условия
надежного возврата защиты при номинальном токе
/с,р “ &отс ^сх Дюм^в Хт* (10-7)
Время действия реле выбирают из условия надежной
отстройки от времени пуска, и с целью приближения
зависимой части характеристики реле к тепловой ха-
рактеристике электродвигателя принимают время мак-
симально возможным в независимой части характери-
стики (12—16 с для реле РТ-82 и РТ-84).
Функции защиты от.обрыва фазы часто возлагаются
на защиту от перегрузки, выполняемую при этом двух-
или трехлинейной. В ряде случаев с целью повышения
чувствительности для защиты АД от обрыва фазы
применяется специальная токовая защита обратной
последов ательности.
Защита состоит из. фильтра тока обратной последовательности
ФТОП, автотрансформатора Ат, выпрямительного моста В и поля-
ризованного реле РП, имеющего обмотки оц и ш2 (рис. 10-6, а).
ФТОП представляет собой схему, содержащую резисторы /?д,
Rc и конденсатор Сл. Сопротивления Ra,Rc и С а подобраны таким
образом, чтобы
хСл/Яд=И§ 60°;
(10-8)
При этом в симметричном трехфазиом нормальном режиме ра-
боты АД напряжение
^Ф = 1а («л - /*сл) + ic Rc (I0-9J
на выходе ФТОП отсутствует (рис. 10-6, б). Прн обрыве цепи од-
ной из фаз АД, например фазы В (рнс. 10-6, в), напряжение
пропорциональное току обратной последовательности, отлично от
нуля, на обмотках РП возникает выпрямленное напряжение £7ф)В Н
реле срабатывает.
В цепь обмотки ш2 РП включены конденсатор С и резистор R,
что создает выдержку времени на срабатывание защиты прн обрыве
фазы и позволяет защите работать в режиме отсечки без выдержки
времени при к. з.
Поляризованное реле РП срабатывает при превышении разно-
стью токов в его обмотках (Ц—/2) тока срабатывания реле. Прн об-
рыве фазы условие
(10-10)
выполняется через время /с,3 (рис. 10-6, г), что обусловлено нали-
чием емкости С в цепи обмотки При несимметричном к. з. усло-
вие (10-10) выполняется в момент к. з., так как начальное значение
(Л—/2)нач, обусловленное наличием сопротивления R в цепи w2, пре-
вышает /С1Р. • «
240
Для того чтобы защита срабатывала н при симметричном (трех-
фазном) к. з. на зажимах АД, трансформаторы тока защиты ТТА и
ТТс выбираются разнотипными (разнонасыщающимнся), что обеспе-
чивает при больших первичных токах различие по значению вторич-
ных токов 1а и /с, а следовательно, появление С/ф на выходе ФТОП.
При трехфазноМ к. з. напряжение С/ф,в па входе РП оказывается до-
статочным для срабатывания реле без выдержки времени.
Рнс 10-6. Токовая защита обратной последовательности.
и — схема токовых цепей; б, в — векторные диаграммы в нормальном режиме
и нрм обрыве фазы соответственно; г — диаграмма, поясняющая работу вы-
ходного реле защиты,
Защита как по току срабатывания, так и по вре-
мени срабатывания отстраивается от токов обратной
последовательности, протекающих в защищаемом АД
и обусловленных наличием асимметрии в рабочем на-
пряжении, внешними несимметричными к. з., разрывами
фаз на других присоединениях, а также от токов неба-
ланса, возникающих как в режиме пуска АД, так и при
внешних симметричных к. з. Изменение тока срабатыва-
ния защиты производится с помощью автотрансформа-
тора АТ.
Защита проста по исполнению и имеет, как правило,
хорошую чувствительность. Однако следует отметить,
16—529
241
что область применения этой защиты ограничена на ли*
чием высших гармонических составляющих йапряже1ОД|
и тока в промышленных электросетях. При наличад
высших гармоник фильтр обратной последовательности
теряет свои избирательные свойства, что может при*
вести к ложной работе защиты.
Рассмотренные выше защиты от перегрузок в некоторых случае
ях могут не предотвратить повреждения двигателей при перегруз^
ках. В первую очередь это относится к двигателям, работающим d
систематическими кратковременными перегрузками (двигатели про*
катиых становии т. п.). В этих случаях необходима защита с релей
имеющими характеристику, интегрально учитывающую нагрев элек*;
тродвигателя. Подобного типа защита разработана Горьковским от*;
делением ВГПИ «Теплоэлектропроект» и названа защитой от пере*'
грузок с интегральной характеристикой выдержки времени.
10-5. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ АСИНХРОННОГО
РЕЖИМА И ПЕРЕГРУЗКИ
Защита*устанавливается на всех синхронных двига*
телях и действует с выдержкой времени:
* на запуск схемы ресинхронизации, автоматическую
разгрузку механизма до. такой степени, чтобы обеспе-
чить втягивание СД в синхронизм, если ресинхрониза-
ция возможна и допустима/
на отключение СД и повторный* автоматический за-
пуск;
на отключение СД при невозможности ресинхрони-
зации или йовторного автоматического пуска.
Для СД со «спокойной нагрузкой» применяется за-
ЙЦита двух разновидностей:
‘с помощью реле, реагирующего иа увеличение тока
в обмотках статора;
с помощью реле, реагирующего на наличие перемен-
ного тока в цепи обмотки ротора, или устройства, реаги-'
рующего на сдвиг фаз между током и напряжением
статора, когда необходимо быстродействие защиты ат
асинхронного режима.
Защиты, реагирующие па изменение тока статора,-
выполняются часто при помощи токового реле с зави-
симой характеристикой (серии РТ-80), которое одно-
временно используется для защиты СД от перегрузки.
В этом случае уставка реле по току .определяется по
(10-7).
Действие защиты при изменениях тока статора в
асинхронном режиме .(рис. ГО-7) основано на том, что
242
Рис. 10-7. Действие макси-
мальной токовой защиты СД
при асинхронном ходе.
пеле серии РТ-80, имея большое время возврата, не
успевает возвращаться за время А/ и после нескольких
периодов биений тока статора срабатывает. Для того
чтобы обеспечивалось удерживание реле за время А/,
необходимо, чтобы /с,Р * Значение тока
качаний зависит от возбуждения СД, а также от его
отношения короткого замы-
кания (ОКЗ). Поэтому при
обрыве цепи возбуждения
СД, а также при ОКЗ<1
защита отказывает в дейст-
вии и может применяться
только для СД с ОК3^1
при условии установки до-
полнительной защиты от об-
рыва цепи возбуждения.
Для СД с ОКЗ<1 при-
меняется также совмещен-
ная защита (рис. 10-8) с не-
зависимой от тока выдерж-
кой времени и током срабатывания
/сз = (1,3^-1,4)/д.ЙОМ. (10-11)
Выдержка времени защиты выбирается из условия
отстройки от времени пуска и принимается равной 8—
10 с.
В схеме защиты (рис. 10-8, б) к контакту 1РТ мгно-
венного токового реле подключена обмотка 2РП про-
межуточного реле с замедлением на возврат, предотвра-
щающего возврат реле времени 2РВ при биениях тока
асинхронного режима. —
При асинхронном режиме, возникшем в результате
обрыва цепи возбуждения, скольжение для различных
двигателей колеблется от 0,1 до 3%. При малых сколь-
жениях реле 2РП должно иметь время возврата, удов-
летворяющее условию [51]
/в > 1/зном/71мех* 2, (10-12)
*
где «ном — скольжение при номинальной нагрузке и
снятом возбуждении, %.
При Shom=0,1% и тМех=0,5 /в>10 с. Выдержка вре-
мени реле 2РВ должна быть в 1,5—2 раза больше вре-
мени возврата реле 2РП, а следовательно, может достиг-.
10*
243
нуть 20 с, что недопустимо. Поэтому предусматривается
отдельная защита от потери возбуждения (реле РТ на
> рис. 10-8, а, называемое реле нулевого тока), а время
возврата реле 2РП принимается равным 1,5—2 с.
С целью уменьшения выдержки времени защиты прть
меняют ее блокировку на время пуска. Защита от обры-
ва цепи возбуждения может сработать ложно при сбросе
нагрузки и отключении внешнего к. з. При внезапном к. з,
в обмотке возбуждения СД возникает намагничивающая
составляющая тока, максимальное значение которой оп-
ределяется из условия постоянства потокосцепления в мо-
мент к. з. (свободная составляющая тока в обмотке воз-
буждения компенсирует размагничивающее действие тока
к. з.). При отключении к. з. возникает размагничивающая
свободная составляющая тока в обмотке возбуждения.
При этом ток возбуждения (рис. 10-8, в) в момент от-
ключения к.з. может перейти через нулевое значение,
что может привести к возврату реле РТ и ложному
отключению СД. Для исключения такой возможности
вводится задержка с помощью реле ЗРВ.
КВ
В
1PS
L кв\\
1РП
§
Отключение нз>
/Чамент к.з,
У
t
/РЛ^ КВ
1РВ КВ РТ
/РТ
Откл.В Зрр
2РУ Г\2РП
2РВ
1РУ
Откл. В
—Разгрузка
Ресиназранизацил
Рис. 10-8. Защита от пег
регрузки и асинхронного'
режима СД.
а — первичная схема и токо?
вые цепи защиты; б — опй
ративиые цепи защиты; в-й
изменение тока возбужДФ
иня прн к. з.
I
244
^"7/7^
Рис. 10-9. Защита СД
от асинхронного режи-
ма, реагирующая на из-
•мененне фазы тока.
Ток срабатывания реле РТ выбирают равным (1,3-^-
1,5)/в,о, где /в,о —ток возбуждения при холостом ходе,
номинальном напряжении и минимальном токе статора.
Для предотвращения отключения двигателя при пус-
ке защита от обрыва цепи возбуждения выводится кон-
тактом контактора включения возбуждения КВ, а при
ресинхронизации — размыкаю-
щим контактом реле времени
1РВ', имеющим выдержку време-
ни на возврат.
Выдержку времени защиты на
реле ЗРВ принимают равной 3—
5 с.
Рассмотренные защиты, реа-
гирующие на увеличение ~ тока
статора СД, непригодны для дви-
гателей, подверженных периоди-
ческим перегрузкам. В ряде слу-
чаев [51] для таких двигателей
применяют защиту, реагирующую
па переменную составляющую то-
ка, возникающую в обмотке ротора при асинхронном
режиме. Для этого используют трансформатор тока в
цепи возбуждения. Однако такая защита не нашла ши-
рокого применения из-за необходимости изготовления
трансформатора тока с воздушным зазором (в против-
ном случае она насыщается постоянным током обмотки
возбуждения), что технологически сложно, а также из-
за необходимости отстраиваться от переменного тока,
возникающего в обмотке возбуждения при набросе и
сбросе нагрузки, возникновении и отключении внешнего
к. з.
Эта защита так же, как и рассмотренные ранее, не
реагирует на обрыв цепи возбуждения и должна быть
дополнена реле нулевого тока.
Для двигателей, работающих с резкопеременной на-
грузкой на в-алу, а* также для СД со «спокойной нагруз-
кой» предложена быстродействующая защита от асин-
хронного режима, которая выполняется с помощью реле,
реагирующего на угол между векторами напряжения и
тока статора [51]. В нормальном режиме ток СД опе-
режает напряжение (при условном положительном на-
правлении, показанном стрелкой на рис. 10-9). При
асинхронном режиме ток отстает от напряжения или его
245
фаза по отношению к напряжению статора периодичен
ски изменяется.
Следует отметить, что для двигателей с резкопере-
менной нагрузкой на валу создание полноценной защиты
от асинхронного режима представляет серьезные труд^
ности и в настоящее время находится в стадии разрабо*
ток и предложений.
10-6. ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ПИТАНИЯ
Защита от потери питания устанавливается на элек-
тродвигателях, которые:
не подлежат самозапуску по технологическим причи-
нам или правилам техники безопасности;
необходимо отключить для обеспечения самозапуска
других, более ответственных электродвигателей;
подлежат отключению во избежание повторного пу-
ска после останова из-за длительного (более 10 с) от-'
сутствия напряжения при перерыве электроснабжения;
подлежат отключению или развозбуждению для пре-
дотвращения возможного несинхронного включения этих
электродвигателей на параллельную работу с сетью;
подлежат отключению или развозбуждению для ог-
' раничения или ликвидации подпитки места к. з. в пита-
ющей сети.
Защита от потери питания выполняется обычно груп-
повой (один комплект защиты на несколько присоеди-
нений) и действует на отключение двигателей или их
развозбуждение (для СД).
В качестве защиты от потери питания применяют:
минимальную защиту частоты с блокировкой по на-
правлению активной мощности. Принцип действия этой
защиты и вариант ее реализации были рассмотрены (см.
§ 9-9, рис. 9-11) применительно к АВР секционного вы-
ключателя с синхронной нагрузкой на секции;
минимальную защиту напряжения, выполняемую •
обычно двухступенчатой.
' Выдержка времени первой ступени выбирается из
условия отстройки от времени действия быстродействую-
щих защит при многофазных к. з., в зоне действия кото-
рых остаточное напряжение на выводах двигателя мень-
ше напряжения срабатывания защиты Uc, Зь
Первая ступень предназначена для ускорения и по-
вышения эффективности самозапуска ответственных
246
электродвигателей, а также предупреждения несинхрон-
ного включения СД на сеть. Обычно принимают рав-
ным 0,5 с, а (7с,з1^0,7 (7НОм из условия обеспечения само-
запуска ответственных электродвигателей [51].
Вторая ступень предназначена для отключения элек-
тродвигателя при перерывах питания по условиям тех-
нологии или техники безопасности, а также когда само-
запуск двигателя с полной нагрузкой (даже при исполь-
зовании ресинхронизации) невозможен.
Наотхл
1РП tflOc
Рис 10-10. Принципиальн'ая схема групповой минимальной защиты
напряжения
Выдержку времени /ц второй ступени минимальной
защиты напряжения принимают равной 5—10 с.
На рис. 10-10 представлен один*из возможных ва-
риантов выполнения групповой защиты. Защита имеет
две выдержки времени: ij=0,5 с и /и—10 с. Источником
оперативного тока служат предварительно заряженные
(от зарядного устройства УЗ) конденсаторные батареи.
Выходные реле защиты 1РП и 2РП имеют задержку при
возврате для обеспечения надежности отключения вы-
ключателей.
Защита срабатывает только при снижении напряже-
ния во всех трех фазах. Выдержка времени создается
реле времени РВ, имеющим размыкающий контакт и
получающим питание от трансформатора собственных
нужд через параллельно соединенные контакты реле на-
пряжения. Для предотвращения срабатывания защиты
при отключении TH предусмотрен вывод защиты из дей-
ствия вспомогательным контактом автоматического вы<;
ключателя А трансформатора напряжения, а при исчез<
новении напряжения на выходе трансформатора собст-
венных нужд (t/тсн}— размыкающим контактом PH в
цепи контактов РВ.
Когда мощность сети недостаточна для обеспечения,
самозапуска всех двигателей ответственных механизмов,
Рис. 10-11. Минимальная защита напряжения с выдержкой времени
и возможностью мгновенного оперативного отключения.
от минимальной защиты напряжения отключают и часть
этих двигателей, предусматривая их последующий авто-
матический повторный пуск.
Применительно к электродвигателям напряжением
ниже 1000 В минимальную защиту напряжения выпол-
няют с помощью контактора с удерживающей обмоткой,
подключенной к силовой сети. Контактор отключает дви-
гатель от сети, если напряжение снижается до значения
(0,4—0,5) t/ном.
Применяются и более сложные схемы, предотвращающие излиш-
ние отключения при быстро ликвидируемых к. з. в питающей сети.
Пример та^ой схемы показан иа рис. 10-11. В схеме применено реле
фиксации команды РФК типа РП-351, получающее питание от неза-
висимого источника переменного оперативного тока, и реле временит
РВ с выдержкой времени при возврате. При подаче команды на *
включение реле РФК включает контактор Л, вспомогательный кон-
такт которого подключает питание к обмотке реле времени РВ. При
исчезновении напряжения в сети контактор Л отключается, а РВ
начинает отсчет времени. Если восстановление напряжения произо-
шло раньше замыкания контакта РВ, то через контакт РФК кои-
248
тактор вновь включится. Если же перерыв питания длителен, то
контакт РВ, замыкаясь, переключает реле РФК и тем самым не до-
пускает повторный пуск двигателя при последующем восстановлении
напряжения.
10-7. СХЕМА ЗАЩИТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
НА ПЕРЕМЕННОМ ОПЕРАТИВНОМ ТОКЕ
В качестве защиты от многофазных к. з. (рис. 10-12)
установлена дифференциальная токовая продольная за-
щита в двухфазном исполнении с реле/Р/УТ, 2РНТ
(рис. 10-12, н, в), действующими через указательные реле
1РУ, 2РУ на выходные промежуточные реле 10РП и
]]РП, контакты которых дешунтируют катушки отклю-
чения К10 и К20 выключателя В.
Защита от замыканий’на землю (рис. 10-1.2, а, б, г, е)
выполнена с помощью реле РТЗ-50 (см. § 1G-3), обеспе-
чивающего значение первичного тока срабатывания мень-
ше 5 А.
Поскольку дифференциальная защита от многофаз-
ных к. з. выполнена двухфазной, в схеме защиты от за-
мыканий на землю предусмотрено токовое реле 2РТ,
действующее на реле 1РП. Это реле обеспечивает отклю-
чение электродвигателя при двойных замыканиях на
землю, если одно из мест замыкания на фазе В.
При исчезновении или снижении напряжения в сети,
питающей электродвигатель, выпрямленное напряжение
от блоков питания Оперативных цепей может пропасть
или оказаться недостаточным щля действия на отключе-
ние выключателя электродвигателя от групповой мини-
мальной защиты напряжения, устанавливаемой обычно
в камере трансформаторов напряжения. Поэтому от нее
к камерам электродвигателей идут четыре шинки мини-
мальной защиты напряжения: -\-ШЗ, 1ШМН, 2ШМН и
—ШЗ. Через шинки -\~ШЗ и —ШЗ конденсаторы Е в ка-
мерах электродвигателей постоянно подзаряжаются. Че-
рез шинки 1ШМН и 2ШМН реле РП (типа РП-252) по-
лучает импульсный сигнал от минимальной защиты на-
пряжения (с меньшей выдержкой времени, если двига-
тель неответственный, и с большей выдержкой, если дви-
гатель ответственный или этого требуют условия выпол-
нения техники безопасности). Реле РП, имеющее кон-*
такты с задержкой на возврат, замыкает их (с двух сто-
рон электромагнита отключения), подключая электро-
магнит к конденсатору £.
249
8-10 кВ
НЮ Н20
Г юрп гТ! мл
ipht\
1ТТа
В
10РП
11РП
2ТТС
Н20
в)
Ша
НТС
К10
2РНТ
Дифферент
альная
защита
+ШВ 1ШНН 2ШМН
а)
гтт
И$мери-\
. тельные ^А
приборы \РТВ^О
Трг
ГН
L-J д)
fpy шк
2РУ
ВРУ
На Отключение выключателя
Рп -шз
Цели от км
чения от ми-
нимальной
защиты
напряжения
РТЗ-50 2РТ
1PU-__
2РП
fP&,
1РУ
ВРУ
4РУ
1РВ,
1РН
BPTL
у
ч-
а
з
ч
РТЗ-50
18
РВ
1РП
Заищита
ат замыка-
нии на земле.
ВРУ
2РНГ\
1РВ
2R
ЗРЛ
Защита
от перегруз-
HUuacuHxpoi
ново хода
/
*- На отключение В
ШН 5РП
ЗРП
г)
Выходные
цепи
- На ресинхронизацию
И2 !?
л
+ШРС 5Рп2Д
ЬРУ
Рис. 10-12. Принципиальная схема защиты СД.
а — первичная схема; / — к дифференциальной защите; II — к защитеХ)Т
асинхронного хода и перегрузки; III — к защите от замыканий на землю:
б — токовые цепи защит от перегрузки, асинхронного хода и замыканий на
землю; в — цепи дифференциальной защиты; г — цепи оперативного тока;
д — защита От потери питания; е — цепи напряжения и сигнализации.
250
Шинки -\-ШРС и —ШРС (рис. 10-12,(5) защиты от
потери питания подают при срабатывании защиты опе-
ративное питание на обмотку реле 5РП. контакты кото-
рого действуют на развозбуждение двигателя с последу-
ющей ресинхронизацией или на разгрузку двигателя.
Защита от асинхронного хода и перегрузки (реле 1РТ
на рис. 10-12,6) действует с меньшей выдержкой
времени (1РВ\) на разгрузку или ресинхронизацию
и с большей (контакт IPB2)—на отключение СД
(рис. Ш-12,г).
10-8. СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПУСКА И ОСТАНОВА
СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Задача устройств автоматического пуска СД состоит
в выполнении определенной последовательности опера-
ций, обеспечивающей разворот ротора от неподвижного
состояния до подсинхронной
частоты вращения и вхож-
дение двигателя в синхро-
низм. Преимущественно осу-
ществляется асинхронный
пуск СД, когда постоянный
ток возбуждения в обмотке
ротора отсутствует и разво-
рот от неподвижного состоя-
ния до подсинхронной час-
тоты вращения происходит
за счет разности асинхрон-
ного момента 7Иа и-момента
сопротивления приво-
димого механизма. Асин-
хронный момент Ма обу-
словлен наведенными тока-
ми в трехфазной короткозам-
кнутой пусковой обмотке
ротора или в бочке ротора.
Зависимость 7Иа от скольже-
ния ротора показана на
рис. 10-13. *
Рис. 10-13. Зависимости мо*
меитов, возникающих в СД в
процессе пуска.
Явнополюсность машины вызывает появление реак-
тивного момента Л4Р вследствие изменения магнитного
сопротивления машины по оси вращающегося поля ста-*
тора. При вращении оси поля статора Фст относительно
251
ротора возникают усилия Гр, стремящиеся или затормо-
зить ротор в случае опережения полюсами ротора оси
поля статора, или увеличить частоту вращения ротора;
если его полюсы отстают от оси поля статора.
Поэтому при (0$“—(Ос—(Ор-АО момент Л1р является зна-
копеременным и изменяется во времени с частотой 2<в5.
Наведенный в обмотке возбуждения однофазный пе-
ременный ток создает, в роторе пульсирующий магнит*
ный поток Фо, в, взаимодействующий с полем статора и
вызывающий появление момента обмотки возбуждения
7И0, в- Поток Фо, в может быть представлен в виде двух
одинаковых по амплитуде потоков ФО(В и ФО|.В> вращаю-
щихся относительно ротора в разные стороны с одииа*
ковыми частотами вращения.
Частота наведенного в обмотке возбуждения тока
равна частоте скольжения
fO,B = fs = Sfc-
где fc — синхронная частота.
Потоки Фо,в и Ф обращаются относительно ротора с
частотами
(У “ + $(0с; (£)" = — $(йс.
Частота вращения ротора в пространстве
0 £0р = (1 — s)coo.
Следовательно, абсолютная частота вращения пото-
ка Фо,в
со' = (о -J- SO) .
о,в р 1 с’
а потока Фо,в » вращающегося в противоположную сто-
рону,
о)" в = соп — sco — (1 —2s) со .
о,в р с ' 7 с
Поток Фо,в, вращаясь синхронно с потоком статора,
взаимодействует с ним и создает положительный вра-
щающий момент 7Ио,в , который зависит от скольжения
ротора (рис. 10-13). Поток Фо,в наводит в обмотке ста-
тора токи с частотой (1—2s)fc, которые замыкаются
через электрическую сеть; Эти токи создают в статоре
поток, вращающийся синхронно с Фо,в и создающий во
взаимодействии с ним момент Л4о,в , причем при отри-
цательной частоте вращения (0о,в, т. е. при 0,5<s<l,
момент 7И0,в имеет положительный знак, т. е. является
252
ротор синхронной ма-
Рис. 10-К Подключение
обмотки возбуждения к
резистору.
вращающим/ При положительной частоте вращения
соо.в (0<s<0,5) момент 7ИО,В, имеет отрицательный
знак, т. е. является тормозящим "(рис. 10-13).
Результирующий момент обмотки возбуждения
B=JVUtB +Л4 ;в (рис. 10-13) при скольжении $, не-
много меньшем 0,5, является тормозящим. Поэтому при
отсутствии асинхронного момента
шины даже при отсутствии мо-
мента сопротивления не смог бы
развернуться до частоты враще-
ния, близкой к синхронной, т. е.
асинхронный пуск был бы невоз-
можен. Поэтому на роторе СД,
запускаемых, как правило, при
наличии момента сопротивления
приводимого механизма, для уве-
личения вращающего момента
Л1Вр = Л1а+Л1о,в обычно распола-
гается короткозамкнутая обмот-
ка (типа беличьей клетки). У син-
хронного компенсатора достаточ-
ное значение асинхронного момента Л1а создается наве-
денными токами в массивной бочке ротора.
Если момент сопротивления в конце пуска СД не
превышает 40% номинального значения, т. е. Л1С<1
<0,4МНом, то для двигателей небольшой мощности
(^2000 кВт) допустимо оставлять обмотку возбужде-
ния замкнутой на возбудитель;
Если же в конце пуска с>0,4 Л1ноМ, то для умень-
шения момента Л1о, в обмотка возбуждения должна быть
замкнута через резистор /?, сопротивление которого вы-
бирают в диапазоне 5—10-кратного значения активного
сопротивления в обмотки возбуждения. Подключение
/? в процессе пуска осуществляется (рис. 10-14) автома-
том гашения поля (АГП).
При достижении ротором СД (СК) подсинхронной
частоты вращения после подключения его к напряжению
сети подается ток возбуждения, в результате появляет-
ся синхронный момент и СД (СК) втягивается в син-
хронизм.
При пуске мощных СД (СК) в цепь статора обычно
включают токоограиичивающий реактор, необходимый
Для предотвращения во время пуска недопустимого сни-
253
коограничивающии реактор
Рис. 10-15. Характеристики
двигателя при легком и тяже-
лом пуске.
жения напряжения на питающих шинах по условиям
работы других потребителей (напряжение не должно
быть меньше 0,9 при длительных пусках и 0,8—
0,85 при редких и кратковременных). В конце пуска то-
закорачивают.
Ток возбуждения в об-
мотку ротора подают или до
закорачивания реактора
(«легкий» пуск), или после
его закорачивания («тяже-
лый» пуск). Вид пуска опре-
деляется условиями втяги-
вания в синхронизм возбуж-
денной машины. Если уста-
новившееся значение сколь-
жения 5уст невозбужденной
машины не превышает опре-
деленного (предельного)
значения $Пр, то после пода-
чи возбуждения машина втя-
гивается в синхронизм. При
$уст>*$пр втягивание в синх-
ронизм невозможно. Пре-
дельное значение Snp скольжения определяется [51] вы-
ражением
где Мс,тах — максимальное значение синхронного мо-
мента в долях номинальной активной мощности двига-
теля (по каталогу); т, — механическая постоянная вре-
мени в секундах, определяемая как время, за которое
двигатель -разгоняется от неподвижного состояния до
синхронной частоты вращения под действием момен-
та, соответствующего номинальной мощности Рном дви-
гателя:
т. = GDa^/365PHOM>
где GD2 — момент инерции двигателя и приводимого ме-
ханизма, кг*м2; по — об/мин I ^IlOM-- кВт.
Скольжение syCT определяется соотношением враща-
ющего момента А1вр и мЬмента сопротивления Мс, При
включенном реактб^е в ЦеПй Йтатора вращающий мо-
мент имеет пониженное значение А1вр (рис. 10-15)*
В случае легкого пуска (Л4С==Л1С1) при включенном реак-
торе $уСт1<$пр. Поэтому имеете возможность подачи
Й54
возбуждения при включенном реакторе. В случае тяже-
лого пуска (ТИс^Мсг) при включенном реакторе $УСТ2>
>Snp И УСЛОВИЯ ВТЯГИВаНИЯ В СИНХрОНИЗМ (5уст2<5Пр),
возникают только после закорачивания реактора; СК
пуск, а СД — тяжелый.
имеет, как правило, легкий
Рис. 10-16. Схема пуска СД в функции тока.
Момент достижения ротором синхронной машины
подсинхронной частоты фиксируется по факту сни-
жения тока статора (пуск в функции тока) или по фак-
ту снижения частоты тока, наведенного в обмотке воз-
буждения (пуск в функции частоты). В первом случае
в качестве измерительного органа применяют реле тока
РТ, подключенное к трансформатору тока в цепи стато-
ра (рис. 10-16), а во втором—реле, подключенное к транс-
форматору тока ТТр в цепи обмотки ротора.
Схема автоматического тяжелого пуска СД в функции тока
приведена на рис. 10-16. Перед пуском выключатели IB, 2В и АГП
отключены, обмотка возбуждения замкнута на резистор. При нажа- •
тии кнопки П включается выключатель 1В и статор СД через реак-
тор £р подключается к питающим шинам. Под воздействием пуско-
вого тока статора реле тока РТ срабатывает, что приводит к сраба-
тыванию промежуточных реле 1РП и 2РП, имеющих задержку при
возврате. По мере увеличения частоты вращения ротора СД пуско-
вой ток уменьшается и при s—$уСт2 (см. рис. 10-15) достигает зна-
чения тока возврата РТ, После возврата РТ и (с задержкой) 1Р/7
255
катушка включения КВ2в подключается к источнику питания и вы*'
ключатель 2В шунтирует реактор Lp. Происходит новый бросок
пускового*тока, реле РТ, 1РП и 2РП вновь срабатывают. При по?
следующем спадании пускового тока вследствие возврата реле РТГ
1РП и 2РП включается АГП и при s—syCTi (см. рис. 10-15) произ*
водится возбуждение СД, что приводит -к втягиванию машины в
синхронизм.
Для остановки СД достаточно нажать кнопку О, что приводит
к отключению IB, 2В и АГП, При остановке электродвигателя^
вследствие срабатывания релейной защиты (контакты Р32) повтор-
ный его пуск запрещается (контакты P3j).
При легком пуске двигателя АРП включается перед включение
ем 2В.
Первичный ток срабатывания реле РТ принимают равным
(2—2,5) Дом- При меньшей уставке и пуске нагруженного двигате-
ля реле может не размыкать своих контактов при“подсинхроиной
частоте вращения.
Работающий СД (СК) может выйти из синхронизма,
например, в результате внешнего к. з. При этом целесо-
образно вновь синхронизировать СД. Эту функцию вы-*
полняет устройство автоматической ресинхронизации,
выполненное на основе реле контроля синхронизма РКС.
При выходе СД из синхронизма РКС воздействует иа
автоматическую разгрузку СД (если это возможно) и
отключение АГП. Под воздействием асинхронного мо-
мента СД (СК) подтягивается до подсинхрониой часто-
ты вращения, и при возврате РКС в исходное состояние
вновь Включается АГП с последующим втягиванием в
синхронизм СД.
Принцип действия реле РКС поясняется на примере
включения возбуждения СД в функции скольжения
(рис. 10-17).
Рис. 10-17. Схема включения возбуждения при пуске в функции
Скольжения.
256
Реле FAC с а ржкои п и возв а е подклю ае ся к ч ти
разрядного резистора через диод. Диод подключен таким образом,
что обмотка реле обтекается током при той полуволне, когда
наведенная э. д. с. имеет полярность, обратную по отношению к на-
пряжению возбудителя, обеспечивая таким образом возможность
включения возбуждения в конце пуска (или при ресинхронизации)
с учетом положения ротора по отношению к магнитной оси вра-
щающегося поля статора. Последнее дает повышение значения мо-
мента примерно на 15% [51]. При отсутствии указанного контроля
(как, например, в предыдущей схеме) возможны случаи включе-
ния возбуждения в противофазе, что приводит к провороту ротора
после подключения возбуждения, а для нагруженных двигателей—
к неуспешной синхронизации.
Время возврата реле РКС выбирают в диапазоне 0,5—0,7 по-
лупериода скольжения при подсинхронной частоте вращения.
При подключении двигателя к сети или при выходе СД из син-
хронизма РКС срабатывает и своими контактами замыкает цепи
обмотки реле 1РБ, имеющего задержку на возврат, равную 14-2 с.
При достижении двигателем подсинхронной частоты вращения в
положительной полуволне, т. е. при совпадении полярности э. д. с.,
наведенной в обмотке возбуждения, с полярностью напряжения
возбудителя реле РКС обесточивается. Если время указанного по-
лупериода превышает время возврата реле, то оно своими размыка-
ющими контактами подает команду на включение контактора воз-
буждения /(В.
Напряжение срабатывания реле РКС выбирают следующим
образом: _
= = — ~0,2Um, (10-13)
/2 У 2 я
где ^отс — коэффициент отстройки; ри—коэффициент преобразова-
ния для однопол упер иодного выпрямителя; Um — амплитудное зна-
чение напряжения, подводимого к реле, равное значению напряже-
ния, подводимого к реле при пуске двигателя.
Положительным свойством такой схемы является также то,
что при ресинхронизации включение возбуждения происходит ав-
томатически после достижения двигателем подсинхронной частоты
вращения.
Вторые замыкающие контакты реле 1РБ используются для
форсировки возбуждения при пуске, что создает благоприятные
условия для вхождения СД в синхронизм.
Схема включения возбуждения при пуске в функции
скольжения особенно эффективна при использовании
тиристорных возбудительных агрегатов. В этих случаях
замыкающие контакты реле РКС включают контактор
или автомат, через которые подается переменное напря-
жение на тиристорный преобразователь. Размыкающие
контакты реле РКС, замыкающиеся с выдержкой време-
ни после возврата реле (т. е. после достижения двигате-
лем подсинхронной частоты вращения), включают в цепь
подачи управляющих импульсов на тиристоры.
17—529
257
10-9. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Автоматическое регулирование возбуждения СД осу-
ществляется на основе рассмотренных выше принципов
АРВ синхронных машин (см. гл. 8). В зависимости от
конкретных условий использования СД в системе элект-
роснабжения законы регулирования возбуждения могут
быть различными. Обычно применяются законы автома-
тического регулирования возбуждения СД, обеспечи-
вающие:
постоянство напряжения на шинах питающей под-
станции с ограничением по максимальному и минималь-
ному значениям тока ротора;
постоянство генерируемой реактивной мощности Q;
постоянство коэффициента мощности cosqr,
компаундирование по внутреннему углу СД;
компаундированиегпо току статора.
Закон АРВ СД выбирается после анализа режимов
работы как самих СД, так и всей системы электроснаб-
жения (57).
Если система электроснабжения характеризуется ос-
трым дефицитом реактивной мощности, а питающие ли-
нии имеют ограниченную пропускную способность, тс
целесообразно осуществлять автоматическое регулиро-
вание возбуждения СД по постоянству напряжения на
шинах питающей подстанции с ограничением по макси-
мальному и минимальному значениям тока ротора.
Для синхронных электроприводов мощностью в нес-
колько тысяч и десятков тысяч киловатт, работающие
на резкопеременную нагрузку, целесообразен закон ре-
гулирования возбуждения по постоянству реактивной
мощности. Когда имеется дополнительное требование
высокой плавности вращения (постоянство мгновенной
частоты вращения), целесообразно применять регулиро-
вание возбуждения СД по внутреннему углу и его произ-
водным. В ряде случаев для синхронных приводов с рез-
копеременной нагрузкой может использоваться компа-
ундирование по току статора.
Для синхронных электроприводов, работающих с
медленно меняющейся нагрузкой, возможно применение
АРВ, обеспечивающего постоянство коэффициента мощ-
ности СД. Применение этого закона регулирования целе-
сообразно для СД малой и средней мощности, когда сум-
258
мирная установленная мощность соизмерима о установ-
ленной мощностью предприятия, а нагрузка двигателей
имеет явно выраженный переменный характер.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ ,
УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И СТАТИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
11-1. ПОВРЕЖДЕНИЯ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
В системах электроснабжения применяются преобра*
зовательные установки на ртутных вентилях, полупро-
водниковых кремниевых диодах и управляемых вентилях
(тиристорах). При эксплуатации преобразователей воз-
никают как технологические перегрузки, так и аварий-
ные режимы, которые сопровождаются прохождением
токов короткого замыкания.
К аварийным режимам относятся:
внешние к. з. (в нагрузке или распределительной
сети);
внутренние повреждения, обусловленные пробоями
вентилей (обратными зажиганиями при наличии ртутных
вентилей), нарушениями нормальной коммутации венти-
лей вследствие неисправностей в системе управления
при наличии управляемых вентилей. Последнее приводит
к однофазным и двухфазным опрокидываниям преобра-
зователя, работающего в инверторном режиме.
Кремниевые силовые диоды и тиристоры из-за малого
объема; небольшой теплоемкости вентильного элемента
и высокой плотности тока р-п перехода обладают повы-
шенной чувствительностью к токовым перегрузкам.
В то время как постоянная времени нагрева обмоток
трансформаторов или электродвигателей определяется
десятками минут, для кремниевого силового вентиля она
составляет сотые доли секунды. Следовательно, защита
преобразователя от перегрузки должна быть быстродей-
ствующей.
Переходные процессы в силовых цепях преобразова-
телей (при включении трансформаторов, резких измене-
ниях тока и т. д.) сопровождаются перенапряжениями
17*
259
на вентилях, которые могут при превышении допусти
мых значений в течение нескольких микросекунд привес
ти к электрическому пробою р-п перехода. Поэтому сис
тема защиты должна также обеспечить ограничение пе
ренапряжений на вентилях до допустимого уровня.
Рис. 11-1. Преобразователь в выпрямительном режиме.
Ртутные вентили, применяемые в мощных ус-
тановках, подвержены обратным зажиганиям, которые
происходят из-за случайной неспособности пары катод —
анод выдерживать обратное напряжение в непроводя-
щий период. Чаще всего обратное зажигание происходит
непосредственно после погасания вентиля, когда к нему
подключается обратное напряжение. Так, если горят
вентили 4 и 5 (рис. 11-1), а затем происходит коммута-
ция тока с вентиля 5 на вентиль 3 и на вентиле 5 прои-
зошло обратное зажигание, то при коммутации тока с
вентиля 3 на вентиль 1 образуется трехфазное к. з.
схемной обмотки трансформатора. При этом токи могут
достигать значений до (8—10) /НОм,тр. Поэтому к за-
щите от этих видов повреждений предъявляются высо-
кие требования по быстроте срабатывания, позволяю-
щей предотвратить возникновене трехфазного к. з.
после возникновения обратного зажигания. Это озна-
чает, что требуемое время действия защиты должно
составлять единицы миллисекунд.
В общем случае внешнего к. з. неуправляемого вып-
рямителя (рис. 11-1) между местом к. з. и выводами
выпрямителя имеется некоторое сопротивление Лк> Rk
(ошиновка, кабели и т. д.); Лт и /?т в схеме замещения
представляют собой суммарные индуктивность и актив-
260
ное сопротивление одной фазы цепи переменного тока,
приведенные к вторичной (схемной) обмотке трансфор-
матора.
Считая, что к моменту начала аварийного процесса
проводили ток вентили 5 и 6 и вступил в работу вентиль
1, можно определить значения токов и, и /6 из следую-
щей системы уравнений [58]:
ел ев “ li Ч LT 4" Ч 4" *6
еС еВ~~ 4" *5 4" 4" *6
(И-1)
Ч 4" /в “ *«*
Решение системы (11-1) с учетом сдвига фаз э. д. с.
вд, ев и ес дает .следующие выражения для мгновенных
токов в относительных единицах (в качестве базисной
величины принята амплитуда установившегося фазно-
го тока трехфазного к. з. на выводах трансформатора)
= sin (св/ — фт) 4" sin срт е-г!г\ (11-2)
/5ж = sin (со/ 4" 2я/3 — фт) +
4- [/^ — sin (2л/3 — фт)1 e-W\ (11-3)
Ц* ~ sin (°^ 4- л/3 — фт) +
+ [/^ — sin (л/З — фт)] (11 -4)
В приведенных уравнениях фт = агс1§(о£т//?т, а Т—
Из (11-3) можно определить время Д/g прово-
димости вентиля 5 [приравнивая (11-3) нулю, принимая
Ль = 0 и полагая поочередно ,coLT->O и со£т->оо]: Д^5=
=л/3(о4-2л/3(о. С прекращением тока в вентиле 5 (как
вентиле, закончившем проводить ток раньше других) за-
канчивается первый интервал аварийного процесса (про-
водят ток вентили 1 и 6 и начинает проводить вентиль 2).
Второй интервал закончится в момент, когда ток в вен-
тиле 6 снизится до нулевого значения и начнет проводить
ток вентиль 3 (в третьем интервале проводят ток венти-
ля 7, 2 и 3).
В [58] даиа количественная оценка максимальных
значений аварийных токов в первый полупериод и пока-
зано, что эти значения могут достигать двойного тока при
Внутреннее к. з. неуправляемого выпрямителя может
возникнуть, например, когда пробой вентиля 5 наступил
в момент коммутации с вентиля 5 на вентиль 1 при ра-
17а—529
36]
венстве э. д. с. фаз А и С. При этом образуется контур
двухфазного к. з. между фазами Л и С через вентиль 1
и пробитый вентиль 5. Аварийный тйк в этом случае мо-
жет быть представлен как
1/3"
<1* = i» = —7-fsin — Фт) + sin фт e-tf л. (11 -5)
Уравнение (11-5) справедливо до начала работы вен-
тиля 3, когда образуется трехфазное к. з. (второй интер-
вал, продолжающийся до момента спадания тока в вен-
тиле до нулевого значения). После этого вновь
возникает двухфазное к. з., но уже между фазами В и С
(третий интервал). Максимальные значения аварийного
тока несколько превышают значения токов при внешнем
к. з. и составляют при 7?t/<dLt->0 порядка 2,4 в относи-
тельных единицах.
Особенностью аварийных режимов управляемых вы-
прямителей является прежде всего то обстоятельство,
что наличие быстродействующей защиты, способной
снять управляющие импульсы с тиристоров в процессе
повреждения до начала очередной коммутации, влияет и
на значения аварийных токов в поврежденных вентилях
[58]. В этих обстоятельствах аварийные токи могут быть
снижены как по максимальным значениям (до 1,3—1,5),
так и по длительности. Кроме того, возможность изме-
нять угол регулирования а за счет системы управления
позволяет в ряде случаев (например, при внешних к. з.)
ограничить ток в вентилях до значений, мало отличаю-
щихся от номинальных рабочих токов, путем автомати-
ческого увеличения угла а.
Если угол а увеличить до значений, превышающих
90°, и изменить полярность источника постоянного тока,
то выпрямитель переходит в инверторный режим и про-
изводит передачу энергии из сети постоянного тока в
сеть переменного тока. При этом коммутация тока с од-
ногд вентиля на другой происходит под действием ком-
мутирующей э. д. с., представляющей собой разность
фазных э. д. с. на стороне переменного тока, зависящую от
угла опережения р=л—а (рис. 11-2). На рис. 11-2,6
у—угол коммутации, зависящий от параметров контура
коммутации и значения коммутируемого тока; 6 — угол
погасания, соответствующий времени для обеспечения
выключения тиристора и восстановления его управляе-
мости.
262
При уменьшении угла опережения р или при увеличе-
нии v и неизменном р значение угла 6 может стать мень-
ше допустимого, коммутация нарушается и инвертор
срывается. Повреждения инвертора, ведомого сетью
(рис. 11-2,о) (внешние к.з., потеря тиристором вентиль-
а) б)
Рис. 11-2. Инвертор, ведомый сетью.
а — первичные цепи; б — диаграмма токов.
ных или запирающих свойств, отказы в системе управле-
ния) \ приводят к одному из двух видов срыва процесса
инвертирования: опрокидыванию (несквозному срыву)
или к сквозному срыву. Если 6 снизится ниже критичес-
кого значения^ то в момент равенства э. д. с. фаз А и В
вентиль / вновь откроется под действием положительной
разности еА—ев, что одновременно приведет к выключе-,
нию тиристора 3, Таким образом, после момента времени
to открыты вентили 1 и 2. Ток в цепи источника постоян-
ного тока начнет возрастать, поскольку противо-э. д. с.
вс—еА в этот период уменьшается. Если не отключить
инвертор к моменту подачи управляющего импульса
на вентиль 4, то при условии успешной коммутации тока
с вентиля 2 иа вентиль 4 образуется сквозное к. з. цепи
постоянного тока через вентили 1 и 4 — сквозной срыв
инвертора. Если же коммутация вентиля 4 была неус-
пешной, то продолжится до момента несквозной срыв
17а*
263
инвертора с прохождением аварийного тока через обмот-
ки трансформатора (проводят ток вентили 2 и 1).
Анализ аварийных токов при срывах инвертора, про-
веденный в [58], показывает, что по сравнению с ава-
рийными токами при повреждениях тиристорных выпря-
мителей токи, возникающие при срывах инвертора (осо-
бенно при опрокидывании), имеют большие значения.
Это вызвано в первую очередь согласным включением в
этих аварийных режимах э. д. с. источников постоянного
и переменного тока.
Опрокидывание инвертора возникает также при сня-
тии управляющих импульсов, подаваемых на силовые
тиристоры.
Для автономных инверторов характерны те же ава-
рийные режимы, что и для инверторов, ведомых сетью;
Ток в цепи вентиля при сквозном срыве (при отсчете
времени от начала срыва) определяется соотношением
[58]
где h — ток, предшествующий срыву.
Характер протекания токов при опрокидывании ($ от-
личие от инвертора, ведомого сетью) во многом опреде-
ляется схемой инвертора.
11-2. УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК
Для защиты полупроводниковых преобразователей от
токов к. з. широко применяют быстродействующие плав-
кие предохранители. При этом к предохранителям предъ-
являют более жесткие требования, чем к плавким пре-
дохранителям, используемым для защиты других уста-
новок. Основные из этих требований:
полное или частичное согласование характеристик
предохранителя с характеристиками полупроводниковых
вентилей; х
высокая отключающая способность;
отсутствие изменений защитных характеристик при
длительном протекании номинального тока;
минимальное напряжение дуги, возникающее при сра-
батывании предохранителя, которое не должно приво-
дить к пробою неповрежденных вентилей;
264
минимальная энергия, выделяющаяся в вентилях при
протекании аварийного тока.
Такие предохранители имеют закрытый фарфоровый
патрон (ПНБ) или герметичный керамический корпус
(ПБВ), заполняемый кварцевым песком. Плавкая встав-
ка изготовляется из серебряной ленты и имеет несколько
участков с малым сечением и малой длиной, что позво-
ляет реализовать предохранитель с малым тепловым
эквивалентом отключения. При больших кратностях тока
время срабатывания таких быстродействующих предо-
хранителей (БП) составляет 10—15 мс. Все предохрани-
тели серии ПБВ снабжены указателями срабатывания
и вспомогательными контактами для контроля за состо-
янием плавкого предохранителя и вентиля.
Номинальный ток плавкой вставки БП выбирают из
условия, чтобы значение /п^ необходимое для отключе-
иия, было меньше допустимого значения lBt защищаемо-
го вентиля. Быстродействующие предохранители типов
ПНБ и ПБВ, выбранные по этому условию, как правило,
обеспечивают защиту вентилей от токов к. з. и не защи-
щают от перегрузки.
Надежная защита при внутренних повреждениях бу-
дет обеспечиваться, если число параллельно включенных
вентилей превышает определенное значение п, которое
определяется [58] как
1ГВ *
где k — коэффициент запаса (& = 1,24-1,5); Wn — пол-
ный интеграл отключения, равный -сумме интегралов
плавления и дуги (^пл+^д); — тепловой эквивалент
для вентиля.
На рис. 11-3 приведена принципиальная схема трехфазного
мостового выпрямителя на силовых вентилях, защищаемого плав-
кими предохранителями, которые могут быть установлены: после-
довательно с каждым вентилем 771 для защиты от внутренних по-
вреждений; в фазных (подводящих) проводах 772, которые обеспе-
чиваются отключением при внешних повреждениях; на выходе
постоянного тока 773. В первом случае через предохранитель про-
ходит действующий ток вентиля. При такой схеме включения БП
необходимо учитывать, что при перегорании одного из предохрани-
телей может появиться перенапряжение на остальных вентилях,
включенных параллельно поврежденному. Во втором случае плав-
кие вставки предохранителей должны быть рассчитаны на ток,
265
действующее значение которого для мостовых схем выпрямления в
]/ 2 раз больше /а,действ. Это несколько снижает защитное дейст-
вие предохранителей. Однако такое включение имеет преимущест-
во в том, что напряжение дугц, возникающей при перегорании
предохранителя, не создает опасных перенапряжений в вентилях
схемы.
Быстродействующие предохранители выбираются на
Рис. 11-3. Схема защиты по-
лупроводникового преобразо-
вателя быстродействующими
предохранителями.
напряжения, не меньшие но-
минального напряжения той
выпрямительной установки,
в которой они будут эксплу-
атироваться. В противном
случае не будет обеспечено
нормальное гашение дуги,
что может привести к разру-
шению корпуса предохрани-
теля и перебросу дуги на то-
коведущие части.
Недостатками плавких
предохранителей при ис-
пользовании для защиты
преобразователей являются:
необходимость недогруз-
ки вентилей, чтобы иметь до-
статочно надежную защиту
(поскольку необходим запас
на нагрев аварийными тока-
ми за время срабатывания
предохранителя);
трудность в осуществле-
нии автоматической замены
предохранителя;
практическая невозможное ж ь осуществления на осно-
ве предохранителей защиты от перегрузки.
Для уменьшения теплового воздействия аварийных
токов на вентили преобразователей, ограничения разви-
тия аварийного процесса и предотвращения выхода из
строя неповрежденных вентилей необходимо повышать
быстроту срабатывания защиты. Этого можно достигнуть
применением в устройствах защиты магнитных и полу-
проводниковых элементов.
Для осуществления быстродействующей защиты пре-
образователей на силовых диодах в схемах этих преобра-
зователей применяют тиристоры. Такие защиты осущест-
вляются [58] путем применения:
266
защиты по управляющему электроду (ЗУЭ);
устройств емкостного прерывания (УП);
устройств быстродействующего регулирования тока
тиристорных выпрямителей (БРТ);
устройств перевода выпрямителя в инверторный ре-
жим (ПИР).
Для отключения тиристорного выпрямителя достаточ-
но снять управляющие импульсы с силовых вентилей,
что приведет к естественному прекращению очередных
коммутаций. Такой способ защиты выпрямителя позво-
ляет реализовать ЗУЭ при внешних и внутренних по-
вреждениях. Однако такая защита не всегда обеспечива-
ет требуемое быстродействие при внутренних к. з. (про-
боях), поскольку при наличии значительной индуктивно-
сти в цепи аварийного тока время отключения может
превышать половину периода промышленной частоты
[58]. Поэтому ЗУЭ применяется совместно с УП. Прин-
цип действия устройства емкостного прерывания состоит
в подключении к выходу преобразовательного моста
предварительно заряженного конденсатора, в результате
чего ток в вентилях, оказавшихся в цепи разряда конден-
сатора, достигает нулевого значения раньше. Подключе-
ние прерывающего конденсатора осуществляется вспомо-
гательным тиристором, управляемым сигналом измери-
тельного преобразователя (например, измерительного
преобразователя максимального тока, обратного тока
и т. д.).
Для быстродействующего отключения выпрямителя
может быть использована совокупность ЗУЭ и ПУ (рис.
11-4) [58].
При к. з. в нагрузке от импульсных измерительных преобразо-
вателей максимального тока ИПМТ открывается тиристор 7\ пре-
рывающего устройства, подавая сигнал на снятие импульсов систе-
мы управления тиристорного выпрямителя. При открытии тири-
стора к выходу моста выпрямителя прикладывается суммарное
напряжение предварительно заряженных конденсаторов Ci и С2.
В предположении мгновенной коммутации тока из цепи силовых
вентилей в цепь прерывающих конденсаторов уравнение переход-
ного процесса можно представить в следующем виде:
где Uc—напряжение на прерывающем конденсаторе; L — индук-
тивность в контуре к. з.
Решение уравнения представляется в виде
Uc = U cos (<н/ + <р)/cos ф,
267
где Ud — максимальное значение выпрямленного напряжения вы-
прямителя; ___ _
/к ,/ Z.
Ф-т*8-^]/ •-р=г!
/к — ток к. з. в момент срабатывания защиты; С — емкость
Рис. 11-4. Схема защиты тири-
сторного выпрямителя с емкост-
ным прерыванием.
конденсатора.
Время с момента начала
разряда до перехода тока че-
рез нуль определяется Нз ус-
ловия разряда каждого нз
конденсаторов до 0,5 Ua:
&t = (arccos 0,5 cos ср — <р)/ф.
При пробое вентилей от
сигнала измерительного пре-
образователя обратного тока
ИПОТ происходит открывание
тиристора Г1 и снятие управ-
ляющих импульсов с силовых
тиристоров, а также откры-
вание одного из тиристоров
Га или Г3 в зависимости от
того, в какой из групп тири-
сторов (катодной или анод-
ной) произошел пробой.
Благодаря высокой чув-
ствительности измерительных
преобразователей обратного
тока отключение выпрямителя
происходит в. течение неболь-
шого интервала времени, ког-
да токи в вентилях еще не ус-
пели существенно увеличиться.
Применение ЗУЭ сов-
местно с УП эффективно
также при осуществлении
защиты инверторов, по-
скольку практически все повреждения в схеме преобразо-
вания и в системе управления приводят к сквозному
срыву или опрокидыванию инвертора.
В тиристорных выпрямителях, питающих разветвлен-
ную сеть потребителей постоянного тока, отключать вы-
прямитель при внешних к. з. нецелесообразно для со-
хранения в работе неповрежденных потребителей. В этих
случаях применяют устройства быстродействующего ре-
гулирования тока РТ [58], увеличивающие угол регу-
лирования а (а тем самым уменьшающие Ud) при внеш-
них к. з. до значений, допустимых для вентилей и в то же
время обеспечивающих надежное срабатывание защит
268
отдельных потребителей. После ликвидации внешнего
к. з. угол регулирования устройства РТ вновь уменьша-
ется, что обеспечивает нормальную работу оставшихся
потребителей.
При наличии во внешней цепи значительной индук-
тивности возникает необходимость для отключения вы-
прямителя при внешнем к. з. ускорить процесс «расса-
сывания» энергии, запасенной в нагрузке. С этой целью
применяют способ, заключающийся в увеличении угла а
до более чем 90°, что позволяет перевести выпрямитель в
инверторный режим (например после срабатывания за-
щиты по управляющему электроду). Эта операция про-
изводится устройствами перевода в инверторный режим
ПИР. Как видно из приведенных соображений, устрой-
ства, воздействующие на систему управления тиристор-
ными преобразователями (РТ, ПИР), выполняют во
многом защитные функции.
Для защиты мощных преобразователей от внутрен-
них повреждений целесообразно также применять диф-
ференциальную продольную токовую защиту. При этом
осуществляют сравнение токов со стороны сети перемен-
ного тока (используя трансформаторы тока, установлен-
ные в фазах сетевых обмоток) и постоянного тока (ис-
пользуя в качестве измерительного преобразователя
трансформатор постоянного тока—ТПТ). При внутрен-
нем повреждении увеличивается ток со стороны сети
(в случае работы преобразователя в режиме выпрямите-
ля) и уменьшается ток на выходе выпрямителя, что и
является причиной срабатывания защиты. В инвертор-
ном режиме работы преобразователя дифференциальная
защита выполняется с выдержкой времени 0,01—0,12 с
для использования возможности автоматического «втя-
гивания» инвертора в нормальный режим после срыва
или опрокидывания. Последнее обусловлено тем обстоя-
тельством, что многие причины, вызывающие срыв ин-
вертора, являются преходящими, что делает целесооб-
разным попытку восстановить нормальный порядок ком-
мутации тока инвертором.
Защита силовых вентилей и преобразователей от то-
ковых перегрузок осуществляется автоматическими вы-
ключателями и с помощью ЗУЭ.
Автоматы выпускаются с электромагнитными, тепловыми или
комбинированными расцепителями. Электромагнитный расцепитель
предназначен для защиты от к.з.» тепловой — от длительных пере-
грузок.
269
Автоматической выключатель позволяет производить ограни-
ченное число включений и выключений преобразователя прн нор-
мальных режимах работы. Прн срабатывании электромагнитного
расцепителя и размыкании главных контактов автомат можно вклю-
чить повторно, после срабатывания теплового расцепителя автомат
будет готов к включению после остываиия теплового элемента че-
рез 1—1,5 мин. В этом состоит преимущество автоматов перед
плавкими предохранителями,
В преобразователях с силовыми вентилями автоматические вы-
ключатели используются в основном для защиты от перегрузок.
Кроме того, они выполняют функции резервных защит, обеспечи-,
вающих отключение аварийных токов в случаях отказа основных
защит преобразователей.
Автоматы переменного тока могут устанавливаться: в преобра-
зователях, питающихся от сети 380 В, на первичной стороне транс-
форматора или до ограничивающих реакторов в бестрансформа-
торнЫх схемах; при питании от сети 6-—10 кВ — на вторичной сто-
роне трансформатора. В этом случае автомат отключает при авариях
преобразователь и защищает вентили. Автоматы постоянного тока-
включаются на выходе преобразователя и в отходящих линиях на-
грузки. Срабатывание такого автомата обеспечивает отключение
нагрузки при недопустимых перегрузках, но не защищает преобра-'
зователь от аварийных режимов, возникающих прн пробое вентилей'
или к.з. токоведущих частей внутри выпрямителя. То или иное
место включения автомата применяется с учетом схемы питания,
мощности потребителя, а также характеристик и технических дан-
ных автоматического выключателя.
Выбор автоматических выключателей производится аналогично
рассмотренному в § 2-2.
Защиты по управляющему электроду ЗУЭ также мо-
гут выполнять функции защиты от перегрузок, если осу-
ществлять отключение преобразователя с выдержкой
времени при значениях токов, характерных для перегру-
зок. При этом ЗУЭ фактически выполняет функции мак-
симальной токовой защиты.
11-3. УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ БАТАРЕЯ
КОНДЕНСАТОРОВ
На относительно крупных конденсаторных батареях
(КБ) или для регулирования реактивной мощности при-
меняют секционированные схемы. Число секций зависит
от требуемого количества ступеней регулирования.
В процессе эксплуатации конденсаторных батарей
необходимо считаться с их ненормальными режимами,
работы и повреждениями, к которым относятся: пробои
конденсаторов; броски тока, возникающие при включе-
нии КБ и при переключениях конденсаторов в регулиру-
емых КБ; перегрузки КБ; замыкания на землю.
270
При пробое секции конденсаторов возникают значи-
тельные токи и поврежденную секцию необходимо от-
ключить без выдержки времени. Для этого применяют
общую для всей КБ максимальную токовую защиту без
выдержки времени (действующую также и при перегруз-
ках). Ток срабатывания защиты выбирается из условия
отстройки от тока включения и разряда батареи
7 ~ k I
*С,3 К'ОТС1НОМ»
где йоте — коэффициент отстройки (1,8—2,2); /НОм — но-
минальный ток батареи.
На регулируемых конденсаторных батареях токовая
защита устанавливается на каждой секции и действует
на отключение всей батареи с последующим АПВ непо-
врежденных секций. Если КБ присоединена под общий
выключатель с электродвигателем или трансформатором,
на ней устанавливается индивидуальная защита с дей-
ствием на отключение головного выключателя. Кроме
того, осуществляют индивидуальную защиту отдельных
конденсаторов (с помощью установки быстродействую-
щих предохранителей типа ПК для конденсаторов 6—
10 кВ, не имеющих встроенных предохранителей, или с
помощью встроенных предохранителей для конденсато-
ров до 1000 В).
Предохранители должны выбираться по условию от-
стройки от бросков разрядного тока, протекающих от
неповрежденных конденсаторов к поврежденному, а так-
же от максимальных колебаний тока нагрузки. При этом
ток, А, плавкой вставки (для предохранителей до 1000 В)
выбирают по формуле [59]
/в <1,6nQK//Tl/n>
где п — количество конденсаторов во всех фазах уста-
новки; QK — номинальная мощность одного однофазного
конденсатора, квар; <7Л—линейное напряжение, кВ.
Для предохранителей ПК на КБ 6—10 кВ ток плав-
кой вставки выбирают не менее 1,5 /Ном конденсатора
при номинальном токе предохранителя свыше 30 А и не
менее 2 /НОм при номинальном токе предохранителя до
30 А.
Защита от замыкания на землю применяется при
значениях тока замыкания, превышающих 20 А.
Для защиты конденсаторов до 1000 В используют
также автоматические выключатели, предназначенные
271
в основном для предотвращения перегрузок. Автомати-
ческие выключатели имеют комбинированный расцепи-
тель, обеспечивающий возможность плавно регулировать
ток срабатывания, выбираемый из условия
/ 1,Зп(?к/|/ЗС/л.
Следует отметить, что повреждение секций конденса-
торов с последующим их отключением секционными
предохранителями приводит к постепенному уменьшению
емкости и компенсирующего эффекта батареи, к пофаз-
ной несимметрии значений емкостей и появлению дли-
тельных перенапряжений на неповрежденных конденса-
торах. В связи со значительной трудоемкостью и
сложностью ревизий мощных КБ актуальной является
задача создания устройства, фиксирующего выход из
строя секций конденсаторов с -указанием не только об-
щего числа отключенных секций в фазе КБ, но и рядов
конденсаторов, содержащих предельно допустимое коли*
чество пробитых и отключенных секций. Применительно
к КБ значительной мощности (более 400 квар) в [60]
предложено для создания селективной сигнализации
повреждения секций конденсаторов использовать токи
разряда в ошиновке каждого ряда батареи при повреж-
дении секций с помощью устройств, устанавливаемых на
потенциале контролируемых рядов и позволяющих осу-
ществлять визуальное наблюдение указателей сраба-
тывания.
Для контроля равенства емкостей на КБ малой мощ-
ности (менее 400 квар) в цепи КБ предусматриваются
три амперметра (или один амперметр с переключателем).
Для быстрого разряда конденсаторов после их от-
ключения (например, в процессе регулирования реактив-
ной мощности в системе электроснабжения) применяют-
ся индуктивные (или активные) разрядные сопротивле-
ния, подключаемые параллельно КБ. Кроме соблюдения
правил техники безопасности, подключение разрядных
сопротивлений исключает вероятность бросков тока, зна-
чительно превосходящих ток включения полностью раз-
ряженного конденсатора, при обратном включении, в
сеть неразрядившегося конденсатора. На конденсаторах
380 В разрядные сопротивления (часто встроенные) ус-
танавливаются снаружи между выводами конденсатора,
а у конденсаторов 6—10 кВ — внутри бака конденсатора
(в верхней его части).
272
Для уменьшения потерь электроэнергии для КБ до
1000 В предусматривают автоматическую коммутацию
цепи разряда конденсаторов только после их отключе-
ния. При включенной секции максимальные реле напря-
жения (с размыкающим контактом), подключенные на
линейные напряжения^ обеспечивают разомкнутую цепь
разряда (в качестве разрядных сопротивлений исполь-
зуются лампы накаливания). При отключении секции
разряд происходит на обмотки реле, контакты которых
продолжают оставаться разомкнутыми. При снижении
напряжения до 80—100 В реле возвращаются, коммути-
руя цепь разряда, в результате чего разряд происходит
одновременно на реле и лампы. В настоящее время суще-
ствует несколько разновидностей схем автоматической
коммутации разрядной цепи [61].
Регулирование мощности КБ путем включения и от- ,
ключения всей КБ или отдельных ее секций позволяет
обеспечить наиболее экономичный режим работы сетей
систем электроснабжения,' а также использовать КБ
как средства местного регулирования напряжения. В за-
висимости от требований потребителя автоматическое ре-
гулирование мощности КБ выполняется несколькими
способами:
по нащ лжению с коррекцией по полному току на-
грузки или его реактивной составляющей, если необхо-
димо уменьшить отклонения уровня напряжения от оп-
тимального значения;
по значению и направлению реактивной мощности
при изменении графика реактивной мощности;
по времени суток, когда необходимо ограничить отда-
чу реактивной мощности в сеть энергосистемы;
по комбинированным схемам .в зависимости от не-
скольких факторов (например, направления реактивной
мощности, напряжения и времени суток).
Автоматическое регулирование мощности КБ выпол-
няется одноступенчатым и многоступенчатым. В первом
случае коммутируется вся КБ (или одновременно комму-
тируются несколько КБ). Во втором случае коммутиру-
ются отдельные секции КБ по заданной программе (или
происходит автоматическое поочередное включение или
отключение нескольких КБ с одноступенчатым регулиро-
ванием).
На рис. 11-5 представлена схема автоматического одноступен-
чатого регулирования батареи статических конденсаторов при их
установке в распределительной сети 0,38 кВ.
273
При снижении напряжения ниже допустимого срабатывает
минимальное реле напряжения 2PH и запускает реле времени
2РВ. Если в течение 15 с напряжение не восстанавливается, то. кон-
такты 2РВ замыкаются и конденсаторная батарея включается в
работу контактором Л, который самоудерживается вспомогатель-
ным контактом Ль При этом напряжение сети контактом Ла по-
дается на максимальное реле напряжения 1РН.
Рис. 11-5. Схема устройства автоматического включения н отклю-
чения КБ при одноступенчатом регулировании.
При повышений напряжения сети выше допустимого 1РН сра-
батывает и через время /ipb«15 с контактор Л отключается раз-
мыкающим контактом реле 1РП. Реле времени 1РВ н 2РВ пред-
отвращают включение и отключение конденсаторной батареи при
кратковременных отклонениях напряжения.
Одноступенчатое регулирование конденсаторной ба-
тареи, т. е. одновременное включение или отключение
всех секций батареи, предопределяет наличие большой
зоны, нечувствительности, является весьма грубым и не
во всех случаях допустимым регулированием мощности
КБ. Поэтому большое распространение получило много-
ступенчатое регулирование мощйости конденсаторной
батареи с помощью специального автоматического уст-
ройства АРКОН. 1
Устройство АРКОН позволяет осуществлять комбинированное
регулирование мощности КБ в сетях переменного тока высокого и
низкого напряжения. В устройстве предусмотрена возможность вы-
274
бора параметра регулирования по напряжению (контроль осуще-
ствляется по одному из фазных или линейных напряжений) или
по напряжению с коррекцией по току нагрузки и углу между ними
(контроль осуществляется по одному из фазных или линейных на-
пряжений и току фазы). Устройство состоит нз командного блока/
(рис. 11-6) н программного блока 2. При регулировании по иапря-
Рис. 11-6. Структурная схема регулирования КБ прн помощи уст-
ройства АРКОН.
жению на командный блок подаются напряжение питания Un и
входное напряжение £7Вх. При регулировании же с коррекцией по
току нагрузки, кроме того, подключаются ток свободной фазы от
трансформатора тока ввода и ток такой же свободной фазы от
трансформатора тока КБ. Командный блок в зависимости от зна-
чения входного сигнала с выдержкой времени (1—3 мнн) посылает
программному блоку команду на включение или отключение сек-
ции КБ. Программный|^)лок состоит из так называемых приставок,
число которых определяется числом подключаемых секций.
11-4. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
РЕЖИМОМ РАБОТЫ СТАТИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИЛЕЙ
Благоприятное влияние КБ на режим сети можно су-
щественно увеличить, если осуществлять быстродейству-
ющее ступенчатое {или плавное) изменение их мощности
в соответствии с изменением режима нагрузки (особенно
резкопеременной). Такое регулирование потребовало
создания надежных коммутационных аппаратов для из-
менения числа рабочих секций КБ (или плавного измене-
ния ее мощности). В качестве таких аппаратов применя-
ются тиристорные выключатели. Их применение открыло
новые возможности [62] для более эффективного исполь-
зования статических источников реактивной мощности
<275
(ИРМ) в системах электроснабжения, поскольку позво-
лило:
снизить переходные токи включения до 2-кратных
значений номинального тока при включении незаряжен-
ной КБ и 1,2—1,3-кратных значений при включении за-
Рис. Н-7. КБ с плавным регулированием реактивной мощности.
а — первичные цепи; б —диаграмма напряжении и тсжов.
ряженной КБ, что достигается управлением моментом
включения КБ;
исключить переходный процесс при отключении КБ,
поскольку переключение в цепи с тиристором (при сня-
том управляющем импульсе) происходит в момент есте-
ственного перехода тока КБ через нуль;
ускорить процесс включения и отключения КБ.
Амплитуда свободной составляющей тока при вклю-
чении КБ при учете индуктивности L питающей сети
(рис. 11-7) определяется моментом включения тиристор-
ного выключателя. Наиболее благоприятным моментом
включения является момент перехода напряжения сети
через нулевое значение.
Наиболее благоприятным моментом отключения КБ
является момент естественного перехода тока через нуле-
276
вое значение. В установившемся режиме напряжение на
КБ достигает к этому моменту времени амплитудного
значения и сохраняется в течение некоторого времени.
Поэтому при последующем включении КБ переходный
ток мало отличается от установившегося.
Тиристоры Ti и Тг (рис. 11-7, а) управляются прямо-
угольными импульсами длительностью примерно 100°
[62]. Каждый из импульсов должен опережать соответ-
ствующее ему коммутирующее напряжение сети на 90°.
Быстродействие, а также возможность управлять мо-
ментом включения и отключения КБ с помощью тири-
сторного выключателя позволяют осуществлять не толь-
ко ступенчатое, но и плавное регулирование, если изме-
нять ток, протекающий через КБ. Изменение значения
протекающего тока достигается изменением угла прово-
димости у (рис. 11-7, б) тиристоров (угол у определяет
время, в течение которого тиристор остается открытым).
С уменьшением у уменьшается эффективное значение пер-
вой гармоники тока, протекающего через КБ, а следова-
тельно, и мощность КБ. Вместе с тем ток КБ имеет несину-
соидальную форму, т. е. содержит высшие гармоники, что
учитывают при реализации'подобных способов регулиро-
вания. Для изменения угла у необходимо осуществлять
более раннее гашение тиристоров (по сравнению с вре-
менем их искусственного проводящего состояния), т. е.
осуществлять их искусственное гашение — искусствен-
ную коммутацию. Для этой цели в [62] предложено в
заданный момент времени, определяемый углом регули-
рования сс, подзаряжать конденсатор от постороннего ис-
точника управляющих импульсов тока (ИУИТ на рис.
11-7, а) таким образом, чтобы напряжение на конденса-
торе Uc становилось больше, чем коммутирующее на-
пряжение сети Uc. При таком уровне подзаряда током
iiy (или i*2y) ток через тиристор 1\ (Т2) снижается до ну-
ля и тиристор закрывается. Управляющий импульс тока,
кроме того, должен быть таким, чтобы к тиристору с мо-
мента его погасания в течение времени, определяемого
углом погасания 6, было приложено напряжение в не-
проводящем направлении (рис. 11-7, б).
18—529
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТНОЙ
РАЗГРУЗКИ
12-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТНОЙ РАЗГРУЗКИ
• В нормальном режиме работы в энергосистеме суще-
ствует баланс генерируемой и потребляемой мощностей
РГ = РП (12-1)
при номинальной частоте /ном=50 Гц. z
В случае отключения части генераторов (или подклю-
чения новых потребителей) возникает небаланс мощ-
ности
ДР = ри _ рг (12-2)
и частота начинает снижаться. При этом вступает в дей-
ствие система автоматического регулирования частоты й
активной мощности. Возникший небаланс ликвидируется
за счет имеющегося в энергетической системе резерва
генерируемой мощности (Ррез), и восстанавливается нор-
мальное значение частоты. Однако возможны случаи,
когда в результате отключения значительной части гене-
раторов или разделения энергосистемы на несинхронно
работающие части имеющийся резерв генерируемой
мощности окажется недостаточным для компенсации
возникшего небаланса, что приведет к появлению в сис-
теме (или в одной из несинхронно работающих ее час-
тей) дефицита мощности
ДРд = ДР —Ррез. ' (12-3)
При этом частота снижается до тех пор, пока потреб-
ляемая мощность Рп, уменьшаясь за счет регулирующего
эффекта нагрузки, не станет равной генерируемой Рг.
Однако при значительном дефиците мощности (значи-
тельном снижении частоты) возможно возникновение ла-
винообразного процесса дальнейшего уменьшения часто-
ты до полной остановки агрегатов электрических стан-
ций, что приводит к «развалу» энергосистемы, т. е.
к полному прекращению электроснабжения потребите-
лей. Возможность возникновения «лавины частоты» свя-
зана с уменьшением при пониженной частоте генерируе-
мой мощности из-за снижения производительности меха-
низмов собственных нужд тепловых электростанций. По-
/
' 278
(12-4)
этому при снижении частоты до определенного уровня
производится автоматическое отключение части потреби-
телей или автоматическая частотная разгрузка (АЧР)
для восстановления баланса генерируемой и потребляе-
мой мощностей.
Зависимость мощности потребителей от частоты мо-
жет быть выражена следующим образом:
/ном \/НОМ>
4- Р / Г 4- Р I f У
3 V /ном / * 4 \ /ном / ’
где Pq, Pi, ..., Р4 — мощности потребителей различного
вида при /=/ном-
Из (12-4) следует, что статическая частотная харак-
теристика нагрузки Pn(f) зависит от состава потребите-
лей и в общем случае нелинейна. Однако в достаточно
узком диапазоне изменения частоты, охватывающем
уставки срабатывания по частоте устройств АЧР (45—
50 Гц), зависимость Pa(f) можно считать линейной.
Отношение дефицита мощности к вызываемому им
отклонению частоты
fa ~ *Д =— Риач ?коя • ^НаЧ /коя
Л/# Рнач /нач
носит название коэффициента регулирующего
эффекта нагрузки.
Здесь АР*Д, Af* — относительные значения дефицита
мощности и отклонения частоты; Рнач И Ркон! fнач И
Fkoh — начальные и конечные значения мощностей по-
требителей и частоты. В зависимости от состава нагруз-
ки йн изменяется от 1-до 3,5.
Зная АР*Д и йн, в соответствии с (12-5) можно опре-
делить относительные и абсолютные отклонения часто-
ты, Гц;
(J 2-5)
«я
(12-6)
(12-6a)
Если известны Af и йн, то, используя (12-5), можно
определить мощность потребителей АРдчр » равную
18* 279
при отключении которой частота восстанавлива
до /иач^
АРачр % = 2йн Af. (12-7J
Мощность потребителей, отключаемая устройствами!
АЧР, выбирается, исходя
Рис. 12-1. Изменение частоты
при возникновении дефицита
мощности в энергосистеме.
из максимально возможного!
дефицита мощности в энер^
госистеме. Однако во избеЗ
жание отключения излишне|
большого числа потребите*!
лей при возникновении де4
фицита, меньшего макси-1
мально возможного, устрой-^
ства АЧР должны отключать!
потребителей поочередно по;
мере снижения частоты. Для;
этого необходим ряд очере-.
дей АЧР, отличающихся
друг от друга частотой сра-
батывания. Выдержка вре-
мени для срабатывания оче-;
редей АЧР принципиально
не требуется.
Зависимость частоты от
времени при возникновении дефицита мощности и нали-
чии устройств АЧР может быть качественно представ-
лена в виде, изображенном на рис. 12-1. При возникно-
вении дефицита мощности в случае отсутствия АЧР ча-
стота уменьшалась 4ы до установившегося значения fyCT
по экспоненциальной зависимости -
f — /нач (/нач /уст) (1 е (12-8)
Постоянная времени Тч этого процесса может быть
приблизительно определена как
Тч^т7/Йн, (12-9)
где Tj — постоянная инерции энергосистемы (10—16 с).
При снижении частоты до значения частоты сраба-
тывания 1-й очереди АЧР f\ часть потребителей отклю-
чается, что приводит к уменьшению дефицита мощности,
и частота экспоненциально стремится к новому (более
высокому) установившемуся значению. Аналогичные
явления происходят при срабатывании последующих
280
очередей АЧР, т. е. при f=fz, /з и т. д. В конце концов
установится некоторое значение частоты fycT, которое,
однако, может оказаться недопустимо низким. Для
восстановления частоты необходимо отключить еще
часть потребителей, что несработавшие очереди АЧР
выполнить не могут, так как f'yCT может превышать их
частоты срабатывания (ГУСт>/:4 на рис. 12-1). Поэтому
кроме быстродействующих очередей АЧР, называемых
АЧР-I, необходимы очереди АЧР, имеющие уставку по
частоте не ниже допустимого значения частоты (48—
48,5 Гц), но работающие с выдержкой времени (АЧР-П).
Время срабатывания АЧР-П должно быть ^ачр-п >
(2—3) Тч. Устройства АЧР-П предотвращают «зави-
сание» частоты на недопустимо низком уровне.
Устройства АЧР-I и АЧР-П рассредотачиваются по
всей энергосистеме, а мощности отключаемых ими на-
грузок согласовываются с возможными дефицитами в
узлах энергосистемы. При возникновении больших де-
фицитов мощности (больше 45%), например вследствие
отключения данного района энергосистемы от основных
источников питания, с целью ускорения разгрузки и увели-
чения отключаемой мощности потребителей помимо
АЧР-I и АЧР-П используется дополнительная катего-
рия автоматической разгрузки, действующая по факту
отключения линий или наброса мощности. После лик-
видации дефицита мощности в энергосистеме отклю-
ченные устройствами АЧР потребители включаются в
работу диспетчером или автоматически устройствами
ЧАПВ (т. е. АПВ после АЧР).
12-2. РЕЛЕ ЧАСТОТЫ
Измерительным органом устройства АЧР-I и АЧР-П
служит реле частоты. Широкое распространение полу-
чили индукционные реле частоты типа ИВЧ-3 и полу-
проводниковые реле понижения частоты типа РЧ-1.
Реле ИВЧ-3 выполняется на индукционном устройстве сравне-
ния фаз токов /ь 72 (аналогично реле направления мощности).
Обмоткн реле иц и ш2 подключены к шинкам вторичного напря-
жения U трансформатора напряжения (рис. 12-2, а). В цепь об-
мотки Wi включен резистор R, а в цепь w2— конденсатор С, обра-
зующий с индуктивным сопротивлением обмоткн w2 измеритель-
ный преобразователь изменения частоты в изменение фазы ф2
тока 12.
281
Вращающий момент, действующий на цилиндрический якорь
реле, с осью которого связан подвижный элемент контакта реле,
равен:
Мвр = kli I2 sin (фх — tp2),
.л.
где Ф1~ (IiU) — фаза тока /р
(12-10)
Рис. 12-2. Принцип действия индукционного реле частоты.
а — схема цепей напряжения реле; б — диаграмма, поясняющая прин-
цип действия.
Фазовые сдвиги (pi и ф2 токов Ц и /2 в обмотках реле по отно-
шению к напряжению U являются различными функциями часто-
ты / (рис. 12-2, б)
<Pi = arctg —з~-; (12-lla)
<оД2 — 1/шС .
ф2 = arctg----------> , (12-116)
где Ль Лз, ^2 — индуктивности н активные сопротивления об-
моток Wi и w2.
При некотором значении частоты fc,p Ф1 —фа и Л1вр=0. При
/>/с,Р Ф1 <ф2 и МВр<0, а при f<fс.р Ф1>Фя и Мвр>0. Следова-
тельно, при f<7c,p реле срабатывает. Частоту' срабатывания реле
можно изменять путем изменения сопротивления резистора /?.
В соответствии с (12-11 а) прн £'>•£ зависимость fpt(f) проходит
на рис. 12-2,6 ниже, поэтому fCtp<fc,pr а соответствующая
частота срабатывания fcp>fc,p.
Недостатком индукционного реле частоты является
возможность его ложного срабатывания при резких из-
менениях подведенного к реле напряжения.
Полупроводниковое реле понижения частоты РЧ-1
выгодно отличается от индукционного реле значитель-
282
но меньшей погрешностью по частоте срабатывания.
Структурная схема РЧ-1 и поясняющие его работу вре-
мя-импульсные диаграммы изображены на рис. 12-3
[63].
фс
а)
Рис. 12-3. Принцип действия полупроводникового реле частоты,
а — структурная схема; б, в — время-импульсные диаграммы.
Вторичное напряжение сети Uc через промежуточный транс-
форматор Т и фильтр высших гармоник Ф подается на вход фазо-
сдвигающей схемы ФС, состоящей из частотно-зависимых элемен-
тов 41, 42 и делителя напряжения ДН. Настройка частотно-зави-
симого элемента 41 определяет частоту срабатывания реле, а
настройка 42 — частоту возврата реле после срабатывания (замы-
кание контакта Д) устройства АЧР.
Частотно-зависимый элемент представляет собой последова-
тельную цепь RLC. Выходные напряжения 41 («() и ДН (и2) по-
даются на входы формирователей импульсов Ф#1 и ФИ2, преобра-
зующих синусоидальные напряжения и и2 в прямоугольные им-
пульсы «и! и «на с длительностью, близкой к пол у периоду
283
синусоиды. Импульсы «на подаются на вход дифференцирующей
схемы ДС. Короткие импульсы «д и а выходе ДС соответствуют по
времени появления переднему фронту «Я2- Сигналы «д н ищ пода- >
ются соответственно на вход а и б логического элемента Л, выпол-
няющего логическую функцию ЗАПРЕТ. Импульс «д проходит
через элемент Л, если во время его прохождения сигнал «И1 на ;
входе б элемента Л отсутствует. Импульсы «д с выхода Л посту-
пают на вход расширителя импульсов РИ, выполняющего одновре-
менно логическую функцию инверсии. При Наличии иа входе РИ
сигналов «д на выходе РИ сигнал отсутствует. При исчезновении
сигналов «д на выходе РИ появляется постоянный сигнал «Ря, ко-
торый через усилитель У подается на исполнительный орган, в w
качестве которого в РЧ-1 используется электромеханическое реле
типа РП-220, и реле срабатывает. Во избежание ложного срабаты-
вания реле при исчезновении напряжения в сети, а следовательно,
и «д в схеме реле предусмотрен пусковой орган 77, который пред-
отвращает срабатывание РИ при отсутствии напряжения на входе .
реле.
Время-импульсные диаграммы поясняют работу РЧ-1 прн
и f>fc,p (рнс. 12-3, б, в). Реле срабатывает, если напряже-
ние «1 на выходе 41 опережает по фазе напряжение «2, синфазное
с С/с. Частота срабатывания /с,р соответствует резонансной частоте
цепи RLC элемента 41.
Время срабатывания РЧ-1 задается замедлением действия РИ>
уставки по времени срабатывания составляют 0,15; 0,3 и 0,5 с.
Аналогично РЧ-1 выполняется реле повышения частоты РЧ-2.
12-3. ПАРАМЕТРЫ СРАБАТЫВАНИЯ АЧР
Уставки по частоте срабатывания очередей АЧР-1
выбираются в диапазоне частот А/ачр-i от 48,5 до
46,5 Гц [64, 65]. Считается, что при />48,5 Гц возник-
новение «лавины частоты» невозможно, и возникший
дефицит мощности должен быть ликвидирован автома-
тически или диспетчером путем ввода в действие имею-
щегося резерва генерируемой мощности энергосистемы.
Уставки очередей АЧР-I отличаются на ступень Af.
Минимальное значение ступени А/ принято исходя из
точности аппаратуры, используемой при настройке реле
частоты, равным 0,1 Гц. Количество очередей АЧР-1
составляет:
ПАЧР-1
Д/АЧР-1 , j
У
(12-12)
Максимальное количество очередей АЧР-1 равно 21.
Мощность нагрузки, отключаемая всеми очередями
284
АЧР-I, в каждом районе энергосистемы должна быть
равна:
А-РачР-I “ &зап (12-13)
где fe3an — коэффициент запаса, равный 1,05; кР^тах —
максимально возможный дефицит мощности, выявлен-
ный путем анализа возможных аварийных ситуаций.
Мощность ДРачр-i распределяется между оче-
редями АЧР-I приблизительно равномерно с учетом
ответственности отключаемых потребителей. Более от-
ветственные потребители должны отключаться очере-
дями АЧР-I, имеющими меньшую уставку по частоте
срабатывания.
Выдержка времени на срабатывание устройства
АЧР-I принципиально не требуется/ Однако с целью
предотвращения ложного срабатывания этих устройств
при возникновении переходных процессов в цепях транс-
форматора напряжения, питающего реле частоты, вре-
мя срабатывания устанавливается равным 0,25—0,5 с
при использовании реле частоты ИВЧ-3 и 0,1—0,15 с
при использовании РЧ-1.
Уставка' по частоте срабатывания всех очередей
АЧР-П принимается одинаковой и равной 48,5 Гц. Ус-
тавки по времени срабатывания смежных по номеру
очередей АЧР-П должны отличаться на ступень'
Д/«ЗТЧ. (12-14)
Время срабатывания первой очереди АЧР-П уста-
навливается обычно 10—15 с, последней очереди — 40—
,60 с, а при наличии в данном районе энергосистемы ГЭС
с автоматическим пуском и нагрузкой генераторов при
снижении частоты — до 90 с.
Мощность нагрузки, отключаемой всеми очередями
АЧР-П, должна быть не менее (0,4—0,5) АРачр-i
и распределяться между очередями приблизительно
равномерно. У более ответственных потребителей ус-
танавливаются устройства АЧР-П, имеющие большее
время срабатывания. Рекомендуется совмещать дейст-
вие устройств АЧР-I и АЧР-П на отключение одних и
тех же потребителей, что позволяет обеспечить более
четкую последовательность отключения потребителей с
учетом степени их ответственности.
В связи с малыми значениями ступеней А/ по частоте
срабатывания очередей АЧР-I возможно неселективное
285
срабатывание отдельных устройств АЧР смежных очере*
дей из-за погрешностей реле частоты и неточности иХ^
уставок. Однако это обстоятельство не снижает замети^
общего эффекта от частотной разгрузки, и отключаема^
мощность потребителей примерно соответствует возник^
тему в энергосистеме дефициту генерируемой мощности
12-4. АПВ ПОСЛЕ АЧР (ЧАПВ)
После ликвидации дефицита генерируемой мощност||
в энергосистеме отключенным устройствами АЧР п<Я
требителям должно быть вновь подано напряжение. €|
целью уменьшения перерыва питания потребителей
подключение к источникам питания желательно выпол-
нять автоматически с помощью устройств ЧАПВ. Наи-
более целесообразно автоматически восстанавливать^
питание ответственных потребителей, отключаемых пос-
ледними очередями АЧР, потребителей, отключаемых
первыми очередями АЧР, так как они теряют питание
даже при кратковременных и относительно неглубоких
понижениях частоты, а также потребителей, питающих-
ся от подстанций, не имеющих дежурного персонала и
не оснащенных устройствами телеуправления.
ЧАПВ, как и АЧР, имеет несколько очередей, часто-
ты срабатывания которых лежат в диапазоне 49,2—
50 Гц. Очередность ЧАПВ должна быть обратной оче-
редкости АЧР. Первыми должны подключаться потре-
бители, отключенные устройствами АЧР в последнюю
очередь. Время срабатывания первой очереди ЧАПВ
не менее 10—20 с, отличие во времени срабатывания
смежных очередей не менее 5 с. Во избежание много-
кратно повторяющегося действия АЧР с последующим
автоматическим включением нагрузки ЧАПВ должно
обладать свойством однократности, что обеспечивается,
как правило, большим различием в частотах срабаты-
вания устройства АЧР и соответствующего ему устрой-
ства ЧАПВ.
ЧАПВ реализуется обычно с помощью устройств
АПВ, установленных на присоединениях, отключенных
устройствами АЧР. При срабатывании АЧР действие
устройства АПВ запрещается путем размыкания контак-
том устройства АЧР цепи реле времени АПВ. Действие
АПВ разрешается (цепь несоответствия между положе-
нием ключа управлениями положением выключателя
286
замыкается) при восстановлении частоты до значения
частоты срабатывания ЧАПВ. При отсутствий устройст-
ва АПВ необходима установка специального устройства
ЧАПВ.
12-5. СХЕМЫ УСТРОЙСТВ АЧР И ЧАПВ
Устройства АЧР и ЧАПВ могут выполняться с ис-
пользованием индукционного или полупроводникового
реле частоты на постоянном или переменном оператив-
б)
Рис. 12-4. Принципиальные схемы центрального (а) и индивидуаль-
ного (б) устройств АЧР и ЧАПВ.
ном токе. На рис. 12-4 изображена схема устройства
АЧР и ЧАПВ на переменном оперативном токе с ис-
-пользованием в качестве измерительного органа часто-
ты полупроводникового реле частоты типа РЧ-1.
Устройство АЧР, устанавливаемое на энергообъекте,
например йа подстанции, питающей систему электро-
снабжения,* состоит обычно из центрального устройства,
общего для подстанции (рис. 12-4, а), и индивидуаль-
237
ных устройств (рис. 12-4,6), производящих отключение!
а после восстановления частоты повторное включений
отдельных присоединении. Центральное устройство мо-
жет содержать одно или несколько реле частоты в за!
висимости от числа очередей АЧР-I и АЧР-П, устанав-
ливаемых на подстанции. На рис. 12-4, а представлен^
одна из возможных схем центрального устройства <3
одним реле частоты, что позволяет организовать одну!
очередь АЧР4 или АЧР-П:
*Прн снижении частоты в энергосистеме до частоты срабатывай
ния установленной на подстанции очереди АЧР срабатывает РЧ
замыкает свой контакт, подключая к источнику питания обмоткЙ
промежуточного реле РП. Последнее, срабатывая, контактом Put
подключает шинку ШАЧР к источнику питания. (Если очередь^
АЧР имеет выдержку времени, то питание иа ШАЧр подается че-
рез контакт реле времени РВ. Переключающее устройство ПУ
должно быть при этом в положении 2). Замыкание контакта РП^
приводит к перенастройке РЧ на частоту возврата, равную частоте,
срабатывания ЧАПВ (местоположение зажимов 5, о, а также 7,
в схеме РЧ-1 см. на рнс. 12-3, а).
Прн появлении напряжения на шинках ШАЧР срабатывают
индивидуальные промежуточные реле 1РП,..., 1РП,пРП отклю-
чаемых присоединений.
Индивидуальное промежуточное реле 1РП (рис. 12-4, б) кон-
тактом 1РП\ подключают к источнику питания катушку отключе-
ния КО выключателя данного присоединения. Факт отключения
присоединения от устройства АЧР сигнализируется указательным
реле 1РУ и «запоминается» реле фиксации РФ, которое представ-
ляет собой двухобмоточиое двухпозиционное промежуточное реле.
При замыкании контакта 1РП2 через замкнутый контакт РФ\ через
одну из обмоток РФ проходит ток. Якорь РФ переходит при этом
в новое устойчивое состояние, контакт РФ\ размыкается, а РФ2 и
РФ3 замыкаются. В таком состоянии (позиции) РФ будет нахо-
диться до тех пор, пока другая его обмотка не получит питания,
после чего реле возвратится в исходное состояние.
При увеличении частоты в энергосистеме до частоты срабаты-
вания ЧАПВ реле РЧ разомкнет свой контакт, что приведет к воз-
врату Р/7, а следовательно, к исчезновению напряжения иа ШАЧР
и перенастройке реле РЧ на частоту срабатывания данной очереди
АЧР. Исчезновение напряжения на ШАЧР приводит к возврату
индивидуальных реле 1РПУ ..., 1РП, ...t пРП; При возврате 1Р11
замыкается 1РП$ и обмотка 1РВ получает питание. Через время
срабатывания ЧАПВ контакт 1РВ замыкается, что приводит к
включению выключателя данного присоединения и восстановлению
питания потребителей. В -результате замыкания вспомогательного
контакта выключателя РФ возвращается в исходное Состояние.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
13-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Система электроснабжения города или промышлен-
ного предприятия управляется централизованно с дис-
петчерского пункта (ДП). В крупных городах, электри-
ческие сети которых разделены иа районы, реализуется
многоступенчатая структура диспетчеризации системы
электроснабжения города [66].
Задачей диспетчера является оперативное управле-
ние системой электроснабжения в соответствии с графи-
ком нагрузки энергосистемы или в соответствии со сло-
жившейся ситуацией. На диспетчерском пункте имеется
мнемоническая схема системы электроснабжения, на
которой указано, какие энергетические объекты системы
в данный момент включены, а какие отключены. При-
боры, установленные на диспетчерском пункте, показы-
вают нагрузку основных потребителей электроэнергии,
а также напряжение в контролируемых точках. Имеется
пульт управления, е помощью которого диспетчер может
оперативно производить отключение или включение
выключателей, установленных на подстанциях системы.
При большой удаленности энергетических установок от
диспетчерского пункта ДП, что имеет место в городе
или на большом предприятии, обычные (дистанционные)
устройства контроля и управления энергетическими ус-
тановками технически трудно выполнимы и экономи-
чески нецелесообразны. Контроль и управление с ДП
режимом работы энергетических установок осуществля-
ется в этом случае при помощи специальных устройств,
которые носят название устройств телемеханики.
Под телемеханикой понимается совокупность техни-
ческих средств и методов, позволяющих осуществлять
контроль и управление режимом работы электрических
установок, удаленных на большие расстояния.
Современные системы телемеханики подразделяются
в соответствии с характером выполняемых ими функций
на системы телесигнализации (ТС), телеизмерения (ТИ),
телеуправления (ТУ) и телерегулирования (ТР).
289
С помощью систем телесигнализации осуществляете^
передача с контролируемого пункта (КП) на (ДП)
телесигналов о положении контролируемых объек-
тов, а также аварийных и предупредительных сиг-
налов.
Система телеизмерения обеспечивает передачу с КП
на ДП количественных значений контролируемых ве-
личин непрерывно или по вызову с диспетчерского'
пункта.
Система телеуправления служит для передачи с ДП
на КП команд телеуправляемым объектам.
Система телерегулирования позволяет осуществлять
автоматическое регулирование режимами работы элек-
троустановок, например путем изменения уставок ре-
гуляторов, расположенных на КП.
Отличие систем телемеханики от дистанционных си-
стем заключается в том, что сигналы с ДП на КП и
обратно передаются в преобразованном виде, т. е. в виде»
удобном для передачи на большие расстояния. Сигналы
в системе телемеханики могут передаваться не только
по жилам контрольного кабеля, но и по телефонным
проводам, проводам линий электропередач, по радиоре-
лейным линиям и другим линиям связи.
Под линией связи (ЛС) в системах телемеханики
понимается физическое тело (среда), соединяющее
передатчик и приемник сигналов (например, линия элек-
тропередачи). Совокупность ЛСи специальных устройств,
обеспечивающая ‘ передачу предварительно сфор-
мированных сигналов, получила название канала связи
(КС) [67]. Одна ЛС может быть использована для ор-
ганизации нескольких КС. При этом необходимо при-
менять специальные методы разделения передаваемых
сообщений.
Преимуществом устройств телемеханики по сравне-
нию с устройствами дистанционного управления и конт-
роля являетей экономичность канала связи. Так, напри-
мер, при дистанционном управлении п выключателями
в качестве линии связи между ДП и КП необходимо
иметь Зп проводов и передавать по ним управляющие
сигналы, мощность которых на КП должна быть доста-
точной для реализации требуемого воздействия на при-
вод выключателя. При телеуправлении достаточно иметь
один канал связи, пригодный для передачи маломощных
сигналов, несущих лишь информацию о необходимом
290
воздействии на выключатель. По этому каналу связи
должны передаваться сигналы, предназначенные для
управления конкретными выключателями. Количество
различных типов сигналов должно соответствовать при
этом количеству команд телеуправления. Преобразова-
ние команд на включение или отключение конкретного
выключателя в сигналы, передаваемые по КС, осущест-
вляется в передающем полукомплекте устройства ТУ.
Приемный полукомплект расшифровывает полученное
сообщение н осуществляет включение или отключение
конкретного выключателя.
При реализации ТУ, ТР по КС передается распоря-
дительная (управляющая) . информация. При исполь-
зовании устройств ТС, ТИ по КС передается извести-
тельная (осведомительная) информация. Оба вида ин-
формации могут иметь качественный нли количествен-
ный характер.
Качественная 'информация (включить, отключить;
выключатель, включен, отключен, есть аварийная ситуа-
ция на КП, нет аварийной ситуации) имеет двоичный
характер (да, нет) и передается в виде дискретных
сигналов.
Количественная информация (значения электричес-
кого тока, напряжения, мощности и т.п.) характеризу-
ет непрерывные во времени сообщения. Измеряемые
величины могут передаваться в виде непрерывного или
дискретного сигнала. В последнем случае необходимо
квантование измеряемой величиСны.
13-2. СИСТЕМЫ ТУ —ТС
Надежность и эффективность телеуправления от-
дельными объектами контролируемых пунктов оказы-
вается более высокой при одновременной реализации
соответствующей телесигнализации. Поэтому устройства
ТУ обычно совмещаются с устройствами ТС и называ-
ются устройствами (системами) ТУ—ТС. Системы ТУ—
ТС используются для передачи дискретных сообщений,
каждому из которых соответствует свой сигнал, пере-
даваемый по КС.
Сигнал дискретного сообщения представляет собой,
как правило, совокупность некоторого количества эле-
ментарных дискретных сигналов (импульсов), которые
291
могут отличаться друг от друга качественными призна-
ками (полярностью, фазой, продолжительностью, ча-
стотой, амплитудой). Для преобразования дискретных
сообщений в сигналы, передаваемые по КС, использу-
ется кодирование, т. е. совокупность определенных пра-
вил формирования сигналов. При этом различают од-
ноэлементное и многоэлементное-кодирование.
При одноэлементном кодировании передаваемый по
КС сигнал состоит из одного элементарного сигнала,
которому присвоен определенный качественный приз-
нак. Очевидно, одноэлементное кодирование даже при
использовании нескольких количественных призна-
ков элементарного сигнала позволяет сформировать ог-
раниченное количество существенно отличающихся
друг от друга сигналов. Однако в телемеханике оио
широко используется, так как телеуправляемые и те-
леконтролируемые .объекты являются обычно двухпо-
зиционными и требуют передачи по КС двух сигналов
ТУ и двух сигналов ТС.
При многоэлементарном кодировании передаваемый
по КС сигнал состоит из некоторого (обычно строго
определенного) числа элементарных сигналов, называе-
мого длиной кодовой комбинации или разрядностью
кода. Число кодовых комбинаций, т. е. число различных
сигналов, которые могут быть сформированы при дан-
ной разрядности кода, зависит от основания кода, т. е.
от количества используемых при кодировании качест-
венных признаков элементарного сигнала, и составляет:
N^mn, (13-1)
где т — основание кода; п — разрядность кода.
В настоящее время наибольшее распространение
получили двоичные коды с основанием т = 2, позволя-
ющие сформировать N ~ 2П различных сигналов. Так,
например, при использовании трех элементарных си-
гналов двоичный код позволит передать в системе
ТУ—ТС N = 23 = 8 различных сообщений.
Сигналы в системе ТУ—ТС, соответствующие раз-
личным сообщениям, передаются по одной ЛС, поэто-
му необходимо разделение передаваемых сигналов и их
избирание в приемном полукомплекте устройства ТУ —
ТС, чтобы телесигнализация была правильно понята.
242
а команда ТУ правильно выполнена. Избирание (селек-
ция) сигналов означает выделение данного сигнала из
группы передаваемых и обеспечение его передачи на
соответствующий объект.
Разделение передаваемых по ЛС сигналов может
быть выполнено различными способами. Отдельные
сигналы (или группы сигналов, соответствующие одному
ТУ—ТС-объекту) могут передаваться по отдельным
электрическим цепям, что характерно для многопровод-
ных ЛС (так называемое электрическое, или комму-
тационное, разделение сигналов), В этом случае раз-
деление сигналов совпадает с разделением каналов
связи.
Передаваемые сигналы могут быть разделены по
времени их передачи, т. е. одна и та же ЛС может ис-
пользоваться в разные интервалы времени для передачи
разных сигналов (временное разделение сигналов).
Интервал времени, в течение которого передается дан-
ный конкретный сигнал, должен быть достаточным для
передачи этого сигнала.
Для разделения сигналов могут быть использованы
также качественные признаки элементарных сигналов,
используемые при кодировании. Таким образом, может
использоваться амплитудное, полярное, фазовое, час-
тотное разделение сигналов. Для разделения сигналов
может быть использовано и различие в форме элемен-
тарных сигналов, передаваемых по различным каналам
одной ЛС.
В настоящее время широкое распространение в си-
стемах ТУ—ТС получило коммутационное, временное и
частотное разделение сигналов.
Системы ТУ — ТС с коммутационным разделением
сигналов относятся, как уже упоминалось, к много-
проводным системам телемеханики. Принципиальная
схема системы ТУ — ТС с коммутационным разделе-
нием сигналов изображена на рис. 13-1. От дистанци-
онной системы управления и сигнализации рассматри-*
ваемая система ТУ—ТС отличается применением
слаботочной аппаратуры и кабелей, а также сокращением
необходимого числа жил кабеля связи путем исполь-
зования импульсов с различными качественными харак-
теристиками. Число проводов линии связи на единицу
больше числа управляемых и одновременно контролируе-
мых объектов (например, выключателей).
293
Общее число сигналов, которое может быть переда*
но в многопроводной системе ТУ—ТС,
N^(k~ 1) Z,
где k — число проводов ЛС; I — число используемых
качественных признаков сигнала.
Рис. 13-1. Система ТУ — ТС с коммутационным разделением сигна-
лов.
/*-выключатель отключен; 2— включить выключатель; 3 — выключатель
включен; 4 — отключить выключатель.
При отключенном положении выключателя 1В вспомогатель-
ный контакт выключателя 1В\ замкнут, а 1В2 разомкнут, контакты
кнопок включения КВ и отключения КО разомкнуты, ток от шин-
ки А к шинке В проходит по цепи: диод Д/, резистор Rc и реле
сигнализации отключенного положения выключателя 1РСО, линия
связи ЛСЬ реле управления включением выключателя 1РУВ, диод
ДЗ, вспомогательный контакт /Вь линия связи ЛС0. Сигнал «Вы-
ключатель отключен» представляет собой униполярный ток, значе-
ние которого определяется сопротивлением резистора Rc
(рис. 13-1). Ток достаточен для срабатывания 1РСО, но недоста-
точен для срабатывания 1РУВ.
При подаче команды «Включить» (нажата кнопка КВ) резис-
тор Rc шунтируется резистором Ry, Ток в линии связи и в реле
1рУВ (сигнал «Включить выключатель») резко возрастает; 1РУВ
срабатывает и выключатель включается.
При включенном выключателе контакт 1В{ разомкнут, а 1В2
замкнут. Ток в линии связи (сигнал «Выключатель включен») равен
току при отключенном выключателе, но имеет противоположную
полярность. При этом реле 1РУО управления отключением IB не
срабатывает, а реле сигнализации 1РСВ включенного положения
294
выключателя 1В срабатывает. При нажатии кнопки отключения /w
ток резко возрастает (сигнал «Отключить выключатель») и реле
1РУО срабатывает. Выключатель отключается.
Таким образом, путем использования четырех качественных
признаков передаваемых импульсов (положительная и отрицатель-
ная полярность и два уровня амплитуды) оказывается возможной
передача по одному проводу Л С четырех различных сигналов.
Рис. 13-2. Структурная схема системы ТУ—ТС с частотным разде-
лением сигналов.
Наличие многопроводной ЛС в коммутационной систе-
ме ТУ—ТС делает эту систему неэкономичной при боль-
шом числе телеуправляемых объектов и значительных
расстояниях между ДП и КП. Коммутационные системы
ТУ—ТС находят применение при удаленности КП от ДП
до 1 км и при относительно небольшом числе контроли-
руемых объектов.
Структурная схема системы ТУ—ТС с частотным
разделением сигналов изображена на рис. 13-2.
На ДП и КП имеются генераторы частоты ГЧ2,ГЧП,
вырабатывающие токи с частотой соответственно ft, f2,fn. Выхо-
ды ГЧ коммутируются кнопками управления IK, 2К,пК на ДП
и вспомогательными контактами управляемых выключателей На
КП, Принципиально токи всех частот могут одновременно посы-
латься в ЛС. При одноэлементном кодировании каждому сигналу
управления или контроля соответствует свой генератор частоты.
Разделение сигналов производится полосовыми фильтрами ПФ{,
ПФ2,..., ПФП, к выходам которых подключены соответствующие
реле управления объектом (ТУ) или лампы сигнализация (ТС)
(прямое избирание сигнала). Однако при таком выполнении систе-
мы потребовалось бы большое количество ГЧ и ПФ, а также широ-
295
кая полоса частот для передачи всех сигналов. Поэтому в частот-
ных системах ТУ — ТС формирование сигналов производится, как
правило, путем многоэлементного кодирования, что в значительной
степени сокращает необходимое количество ГЧ и ПФ. Однако при
этом как в полукомплекте ДП, так и в полукомплекте КП необхо-
дима установка шифраторов Ш (Ш'), формирующих код сообще-
Рис. 13-3. Структурная схема системы ТУ — ТС с временным раз-
делением сигналов.
иия, и дешифраторов ДШ (ДШ'), расшифровывающих полученное
сообщение (комбинационное избирание сигнала). В качестве ЛС ъ
рассматриваемой системе ТУ — ТС может использоваться не толь-
ко кабель связи, но и провода линий электропередачи или радио.
В качестве элементарных сигналов при кодировании сообщений
используются токи определенных частот, вырабатываемые соответ-
ствующими ГЧ. Для каждой заданной частоты выделяется полоса
частот Д/п. Ширина Д/п зависит от требуемого быстродействия си-
стемы ТУ — ТС и от ширины общей полосы частот КС. Полосы
Д/п сдвинуты по частоте и отделены друг от друга полосами раз-
граничения Д/р, ширина которых зависит от характеристик ПФ.
Обычно Д/Р>Д/п.
В системах с временным разделением сигналов
(рис. 13-3) передача сигналов по линии связи осущест-
вляется не одновременно, а последовательно.
Линия связи с помощью синхронно переключающихся распре-
делителей, установленных на ДП и К/7, поочередно подключается
к соответствующим цепям управления и сигнализации на ДП и
КП. В структурную схему системы ТУ — ТС входят узлы передачи
ПУ и приема ПрУ команд управления и сигнализации ПС, ПрС,
распределители IP, 2Р, кнопки управления 1К — пК, сигнальные
лампы 1Л — пЛ, индивидуальные реле управления выключателями
1Р — пР и вспомогательные контакты этих выключателей 1БК —
пВК.
При каждом переключении распределителей в ЛС посылается
сигнал, например импульс тока, качественная характеристика кото-
296
рого соответствует положению одной из кнопок управления (сиг-
нал ТУ) ил» одного из вспомогательных контактов ТУ-выключате-
лей.(сигнал ТС). „
Синхронизация работы распределителей может производиться
различным образом. Распределители на ДП и КП могут получать
питание от одного источника переменного тока, однако в этом”
случае необходимо усложнение ЛС, так как требуется по меньшей
мере одна пара проводов для питания 2Р с ДП. Другой способ
синхронизации предполагает питание /Р и 2Р от специальных ге-
нераторов импульсов одинаковой частоты, установленных соответ-
ственно на ДП и КП, что требует, однако, периодического сннфа-
знрования этих генераторов с помощью специального сигнала.
Наибольшее распространение получила пошаговая синхронизация
работы распределителей. Этот способ синхронизации предполагает
наличие одного генератора импульсов, устанавливаемого, как пра-
вило, на ДП, и посылку синхронизирующего импульса, в качестве
которого используется обычно передаваемый по ЛС сигнал ТУ
или ТС.
Избйраиие сигналов в рассматриваемой системе ,
ТУ—ТС может быть прямым и комбинационным. В пер-
вом случае (так называемые распределительные систе-
мы) общее число передаваемых сообщений равно числу
шагов распределителей, а следовательно, каждому поло
жению распределителя соответствует свое- индивидуаль-
ное приемное реле. При прямом избирании сигналов по-
мехоустойчивость оказывается невысокой, поэтому
распределительные системы используются, как правило,
только для телесигнализации.
При телеуправлении в большинстве случаев за одни
цикл работы системы передается только одна команда,
т. е. используется комбинационная система, предполага-
ющая многоэлементное кодирование, что требует нали-
чия в схеме системы ТУ—ТС шифратора и дешифратора.
Системы ТУ—zTC с временным разделением сигналов
могут работать циклически, что позволяет постоянно об-
новлять телеинформацию, или спорадически, т. е. вклю-
чаться по мере надобности.
13-3. СИСТЕМЫ ти
Телеизмерение значения контролируемого параметра
отличается от его дистанционного измерения наличием
по меньшей мере двойного * преобразования этого пара-
метра. На КП параметр ТИ преобразуется во вспомога-
тельную величину, удобную для передачи на большое
расстояние. На ДП эта вспомогательная величина пре-
образуется в показание измерительного прибора.
19-529
297
Структурная схема системы ти представлена на рис*
13-4. ТИ-параметр П преобразуется измерительным пре-
образователем в электрическую величину которая в
свою очередь преобразуется передатчиком в сигнал С,
передаваемый по линии связи. Приемник преобразует
полученный но ЛС сигнал С в величину удобную для
измерения измерительным прибором.
Рис. 13-4. Структурная схема системы ТИ.
Процесс телеизмерения может быть описан в виде
функций следующих преобразований:
Ях = А(Л);]
С = М/Л); <13'2)
^2 “ /з (Q* )
Любое преобразование измеряемого параметра вызы-
вает, как известно, появление погрешностей измерения,
так как преобразованная величина не вполне точно со-
ответствует преобразуемой величине. Кроме того, при
передаче сигнала С по Л С последний искажается, и сиг-
нал С2 в конце ЛС отличается от сигнала Ci в начале
ЛС. Таким образом:
/7Х —(77) = A/7X #= 0; ?
Q h (^i) ~ 0;
С2-С1==АС2^0; (
Л2 — /3(С2) = А/72=Д 0.
Вследствие этого фиксируемое измерительным прибо-
ром значение телеизмеряемого параметра /7И не равно в
точности значению этого параметра, т. е.
/7И —77 = А77, (13-4)
где А/7 — абсолютная погрешность телеизмерения,
298
Отношение Д/7 к истинному значению ТИ-параметра
П, %,
6П% 100 (13-5)
называется относительной погрешностью, а отношение
Д/7 к номинальному значению Лном, %,
8/7н % « 100 (13-6)
Дном
называется приведенной погрешностью телеизмерения.
Погрешность телеизмерения, возникающая при нор-
мальных условиях работы устройства ТИ, составляет ос-
новную погрёшность ТИ. Под нормальными условиями
работы устройства ТИ понимается соблюдение всех ука-
заний завода-изготовителя по эксплуатации устройства
(сопротивление ЛС, диапазон отклонений напряжения и
частоты источника питания от номинального значения и
пр.). Отклонение условий работы от нормальных приво-
дит к появлению дополнительной погрешности. Основ-
ная и дополнительная погрешности устройства ТИ нор-
мируются. Сумма основной и дополнительной погрешно-
стей составляет результирующую погрешность ТИ.
Системы ТИ классифицируются по виду передаваемо-
го по ЛС сигнала. Различают системы интенсивности,
импульсные и частотные.
В системах интенсивности по ЛС передается непре-
рывная величина (постоянный ток или постоянное на-
пряжение) , значение которой соответствует значению
ТИ-параметра. В импульсных системах по ЛС передает-
ся последовательность импульсов, несущих информацию
о ТИ-параметре, а в частотных системах по ЛС проходит
переменный ток, частота которого пропорциональна зна-
чению ТИ-параметра.
Наиболее простую структуру имеют системы интен-
сивности. Передатчик, в качестве которого используется
преобразователь электрической величины 77j (pjic. 13-4)
в постоянный ток (напряжение), подключается непосред-
ственно к ЛС. К приемному концу ЛС подключается из-
мерительный прибор. В качестве ЛС в системах интен-
сивности может использоваться только проводная
связь.
Активное сопротивление #лс проводов ЛС, а также
сопротивление утечки существенным образом влияют на
19*
299
Рис. 13-5. Выпрямительные системы телеизмерения тока (а) и на-
пряжения (б).
погрешность ТИ, которая возрастает с увеличением рас-
стояния между KJI и ДП. С целью уменьшения погреш-ч
кости ТИ, связанной с нестабильностью /?лс, последова-
тельно с ЛС обычно включается высокостабильное
балластное сопротивление что, однако, не устра-
няет полностью влияния изменений Яле на проходящий
по ЛС постоянный ток. С целью исключения этого влия-
ния в некоторых системах интенсивности (балансные
системы) используются преобразователи с обратной
связью, позволяющие иметь C=/7i независимо от внеш-
них воздействий, что, однако, значительно усложняет ап-
паратуру устройства ТИ. Чаще используются небаланс-
ные системы.
По типу преобразователя (передатчика) небалансные
системы подразделяются на выпрямительные и индукци-
онно-выпрямительные. На рис. 13-5 показаны выпрями- z
тельные системы ТИ тока и напряжения. В качестве пе-
редатчиков использованы выпрямительные преобразова-
300
те/1и тока ВПТ-2 и напряжения ВПН-2. Несколько более
сложное выполнение ВПН-2 по сравнению с ВПТ-2 объ-
ясняется целесообразностью иметь растянутую шкалу
измерительного прибора в диапазоне значений напряже-
ния, близких к номинальному, что требует нелинейного
преобразования (промежуточный трансформа-
тор 2ПТН — насыщающийся).
Индукционно-выпрямительный преобразователь
(ИВП) (рнс. 13-6) представляет собой магнитный сер-
дечник с расположенными на нем обмотками Wi и w2.
В воздушном зазоре сердечника помещается проволочная
рамка, закрепленная на оси первичного измерительного
прибора ПИП, подключенного к измерительному преоб-
разователю на КП. Обмотка w\ ИВП получает питание
от стабилизированного источника напряжения СН. Зави-
симость э. д. с. Е9 и Е2, наводимых в обмотках wp рамки
и u>t, от угла поворота рамки а, т. е. от значения ТИ-па-
раметра, показана на рис. 13-6. Число витков ш2 подоб-
рано таким образом, что £,2=£'p,msin 45°. При этом сум-
марная э. д. с. £в=£р-|-Е2, подключаемая через выпря-
мительное устройство ВУ к Л С, имеет приблизительно
линейный участок (при —45°<а<45°), соответствую-
щий диапазону возможных изменений ТИ-параметра.
Рис. 13-6. Индукционно-выпрямительный преобразователь.
301
Используя ИВП, можно провести телеизмерение лю-
бых, в том числе и неэлектрических, параметров. К не-
достаткам ИВП следует отнести существенную зависи-
мость Ез от питающего напряжения а налячяе допол-
нительного противодействующего .момента на оси ПИП,
что приводит к увеличению погрешности телеизмерения.
К системам интенсивности относятся также логомет-
. рические системы, которые отличаются от рассмотренных
выше тем, что в качестве измерительного прибора на ДП
используется логометр. Показание логометрз, как извест-
но, определяется отношением токов (напряжений) в двух
его обмотках. Токи (напряжения) передаются по разным
проводам ЛС или по одному проводу в разные моменты
, времени. Положение подвижного, элемента логометра
полностью соответствует положению подвижного элемен-
та ПИП иа КЛ, из-за чего логометрические системы на-
зываются также синхронными или синхронно-следящнми
системами.
Системы интенсивности просты по исполнению и на-
дежны в эксплуатации. Они широко используются при
телемеханизации систем электроснабжения. Однако эти
системы обладают рядом недостатков (может использо-
ваться только проводная связь, влияние параметров ЛС
и питающего напряжения на точность ТИ), что ограничи-
вает область их применения. Системы интенсивности мо-
гут быть использованы прн удаленности КП от ДП до
10 км в случае использования воздушной ЛС и до 25—
30 км при использовании кабельной ЛС, Системы интен-
сивности являются таким образом системами ближнего
действия.
Наряду с системами интенсивности широкое распро-
странение получили импульсные и частотные системы ТИ
(системы дальнего действия). В этих системах информа-
ция о значении ТИ-параметра передается по ЛС в форме
импульсов тока нли переменного тока изменяющейся час-
тоты, поэтому изменение параметров ЛС влияет на по-
грешность ТИ незначительно.
В импульсных системах ТИ на ДП передается, как
правило, среднее на ограниченном интервале времени
значение ТИ-параметра. В зависнмостн от используемо-
го для передачи информации параметра сигнала, переда-
ваемого по ЛС, импульсные системы подразделяются на
число-импульсные, время-импульсные, фазо-импульсные,
кодо-импульсные и частотно-импульсные.
302
В ЧИСЛО-ИМПУЛЬСНЫХ сисгсмил иарамс1рим итпа«гхск«
несущим информацию, является число импульсов иа ин-
тервале передачи значения измеряемого ТИ-параметра.
Точность ТИ в этих системах засисит от «цены» импуль-
са и тем выше, чем меньше «цена» единичного импуль-
са, т. е. чем большее число импульсов передается. Кодо-
импульсные системы являются развитием число-им-
пульсных систем и выгодно отличаются от последних зна-
чительно меньшим при той же точности числом нмпульг
сов, передаваемых цр ЛС на интервале измерения зна-
чения ТИ — параметра.
Во время-импульсных системах параметром сигнала»
несущим информацию о значении ТИ-параметра, явля-
ется продолжительность передаваемого по ЛС импульса.
Фазо-импульсйые системы представляют собой мо-
дификацию время-импульсных систем, так как в этом
случае на интервале передачи значения ТИ-параметра
располагается не один широкий импульс, а два узких
импульса, расстояние между которыми (фаза) отражает
значение измеряемой величины.
В частотно-импульсных системах (аналогично час-
тотным системам) по ЛС передается бесконечная по-
следовательность импульсов, частота следования кото-
рых пропорциональна значению ТИ-параметра. Приме-
ром реализации этой системы может служить систе-
ма ТИ с использованием мультивибратора Роера,
принципиальная .схема которого изображена на
рис. 13-7, а.
На вход мультивибратора подается постоянное напряжение U,
значение которого пропорционально значению ТИ-параметра. Сер-
дечник трансформатора Тр выполнен нз материала с прямоуголь-
ной петлей гистерезиса (рис. 13-7, в). Триоды П и Т2 по-
переменно открываются н закрываются. Работа мультивибратора
может быть пояснена с помощью время-нмпульсной диаграммы
(рис. 13-7,6). Если, например, в данный момент открывается П
(ток его коллектора /К1 возрастает), то э. д. с., наводимая в обмот-
ке Wiz, открывает 7\ в еще большей степени, а э. д. с. обмоткн
закрывает триод Г2. Процесс переключения триодов оказывается,
таким образом, лавинообразным. Поток Ф в сердечнике Тр возра-
стает, и сердечник перемагничивается, например, по пути 6-1-2-3.
При насыщении сердечника изменение индукции В уменьшается,
что приводит к уменьшению э. д. с. обмоток &42 н W22, а затем к
изменению их знака, так как Iki уменьшается, а Ь® увеличивается.
Идет лавинообразный процесс открытия Т2 и закрытия Ти Сердеч-
ник перемагничивается по пути 3-4-5-$. При перемагничивании
сердечника в выходной обмотке w3 наводится э. д. с. U&. Частота
как это ясно из приведенных ниже соотношений, прямо пропор-
циональна значению входного напряжения U, а следовательно, и
значению ТИ-параметра.
303
Производная потокосцепления
аФ
"~~и
(13-7)
где п — ЧИСЛО ВИТКОВ обмотки U']] (lfiJ21).
Рис. 13-7. Мультивибратор Роера.
Преобразуя (13*7) к виду
(13-8)
и интегрируя, получаем следующее выражение для периода пере- *
магинчнвання сердечника Г:
4-Фщ п
U
Следовательно, частота
/ = — =------— U.
Т 4Фт п
(13-9)
(13-10)
Рабочий диапазон частот в частотно-импульсных системах ТИ
располагается в пределах 4—20 Гц.
Частотные системы ТИ отличаются от частотно-им-
цульсных формой передаваемого по ЛС сигнала (пере-
даются не прямоугольные импульсы тока, а сину-
соидальный ток), а также используемым диапазоном
частот, который располагается в пределах от десятков
до тысяч герц.
304
13-4. КАНАЛЫ СВЯЗИ
Под каналом связи КС, как уже упоминалось, пони-
мается комплекс технических средств, предназначенный
для передачи независимых сообщений на расстояние от
передатчика до приемника системы телемеханики. Ка-
налы образуются с использованием ЛС, т. е. той физи-
ческой среды или физического тела, которые соединяют
приемник и передатчик. .
Для организации КС используются проводные ЛС,
радиолинии, линии электропередач и другие возможные
ЛС. Одна ЛС может быть использована для образова-
ния многих КС. При этом источники независимых сооб-
щений ТУ, ТС, ТИ подключаются к одному передатчи-
ку, который преобразует сообщения в сигналы, переда-
ваемые по ^ЛС. На приемной стороне сигналы
разделяются и преобразуются в сообщения, форма
которых удобна для восприятия человеком (показание
измерительного прибора, загорание соответствующего
светового указателя), воздействия на управляемый объ-
ект (импульс тока) или для ввода сообщений в элект-
ронную вычислительную машину (ЭВМ).
Каналы связи, по которым сообщение может быть
передано только в одну сторону, получили название од-
носторонних, или симплексных. При возможности пере-
дачи сообщений в обе стороны КС называются двухсто-
ронними, а при возможности одновременной передачи
сообщений в обе стороны — дуплексными.
По характеру эксплуатации различают выделенные
и коммутируемые КС. Выделенные каналы используют-
ся только в данной системе телемеханики и включены
постоянно. Коммутируемые КС образуются только на
время передачи данного сообщения и после окончания
передачи автоматически распадаются.
Создание каналов связи при телемеханизации сис-
тем электроснабжения является весьма сложной за-
дачей, поскольку часто необходимо связать ДП с десят-
ками телемеханизируемых объектов, расположенных на
большой территории и удаленных от ДП до 15—20 км.
Принципиально возможны следующие способы органи-
зации каналов связи:
прокладка или использование существующих само-
стоятельных кабельных или воздушных линий связи
30$
между КП и ДП, находящихся в эксплуатации систем^
электроснабжения:
использование выделенных жил кабелей телефонной^
сети предприятия или абонируемых у городской теле-^
фонной сети;
применение специальных устройств, позволяющий
создать коммутируемый КС через аппаратуру городской-
АТС; ’ 1
использование силовых линий электропередачи дл$
организации высокочастотных КС;
применение радио и радиорелейных линий связи. \
Использование самостоятельных линий связи целесо-
образно, если они уже существуют, например были про*;
ложены для оперативно-диспетчерской связи ДП с цент*^
ральным пунктом питания (ЦП). Прокладка новых ли*2
ннй связи специально для целей телемеханизации 5
экономически нецелесообразна из-за большой стоимости
работ, в особенности в условиях города. *
Наиболее целесообразным является создание выдеИ
ленных КС путем использования жгГл кабелей телефон*^
ной сети предприятия или абонируемых у городской се-
ти. При этом возможны два варианта. В соответствии с’
Первым вариантом между каждым КП и ДП необходи-
мо иметь прямую телефонную пару проводов. По второ-
му варианту для каждого КП необходимо иметь прямую
пару проводов только до АТС, на которой устанавлива-
ется переключатель каналов связи ПКС. На ДП также
устанавливается ПКС. В этом случае для работы всех
КС необходимо иметь между ДП и АТС всего две пря-
мые пары проводов — одна для работы ПКС, другая
для соединения ДП с КП-
Недостатком высокочастотных КС, образуемых с ис-
пользованием ВЛ, является существенное влияние по-
мех на работу КС от коронирования, коммутаций, токов
высших гармоник, а также значительная стоимость КС,
превышающая примерно в 2 раза стоимость КС, обра-
зуемых с использованием абонируемых жил телефонных
кабелей [66]. Уровень помех может быть значительно
уменьшен при осуществлении КС по схеме «фаза — фа-
за», что требует, однако, удвоения аппаратуры высоко-
частотной обработки ВЛ.
В последние годы актуальными становятся работы по органи-
зации высокочастотных КС по распределительным силовым сетям
(РСС). Преимущества таких КС очевидны, так как практически
306
все объекты системы электроснабжения связаны РСС. Однако су-
щественным препятствием в осуществлении КС по РСС остаются
трудности высокочастотной обработки РСС, а также наличие вы-
сокого уровня помех. Работы по созданию КС по РСС проводятся
в настоящее время в двух направлениях. Первое направление пред-
полагает использование звукового диапазона частот, что позволяет
использовать КС в условиях наличия высокого уровня помех толь-
ко для передачи распорядительной информации (так называемые
циркуляционные системы ТУ). Работы второго направления бази-
руются на использовании диапазона более высоких частот (10—
200 кГц), что позволяет передавать как распорядительную, так и
известительную информацию. Основным препятствием здесь явля-
ется сильное затухание передаваемых сигналов.
Применение радио и радиорелейных линий связи для создания
КС требует больших затрат. Надежность и помехоустойчйность ра-
диоканала оказывается ниже* чем у высокочастотного КС. Поэтому
радиоканалы для целей телемеханизации системы электроснабжения
распростраиеиия ие получили.
13-5. СОВРЕМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА ТЕЛЕМЕХАНИКИ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Устройство телемеханики содержит диспетчерский
полукомплект, устанавливаемый на ДП, и контролируе-
мые полукомплекты, устанавливаемые на КП. Полу-
комплекты связаны между собой ЛС.
Отдельные узлы устройств телемеханики выполняют-
ся на разных элементах. До последнего времени широ-
кое распространение в устройствах телемеханики имели
релейно-контактные и полупроводниковые элементы.
Большое количество таких устройств телемеханики на-
ходится в эксплуатации в системах электроснабжения.
Однако наиболее перспективной элементной базой для
создания систем телемеханики являются интегральные
микросхемы.
Современной тенденцией в построении систем теле-
механики является создание агрегатной системы средств
телемеханики (АССТ). Система АССТ представляет со-
бой набор типовых функциональных узлов и блоков, а
также построенных из них комплексов телемеханичес-
ких устройств. Система АССТ входит в государственную
систему промышленных приборов и средств автоматиза-
ции (ГСП), что предполагает свободное сопряжение
устройств АССТ с устройствами других агрегатных сис-
тем, входящих в ГСП, в частности агрегатной системы
переработки информации (АСПИ), контроля н регули-
рования (АСКР) и др.
307
Промышленностью выпускается комплекс устройств
телемеханики типа ТМ-320, предназначенный для теле-
механизации промышленных предприятий, объектов
коммунального хозяйства и энергоснабжения городов.
Комплекс ТМ-320 обеспечивает обмен информацией меж-
ду ДП и КП при наличии выделенных двухпроводных
ЛС. Число ЛС, отходящих от ДП, может изменяться от-
одной до тридцати двух, причем к каждой ЛС может:
подсоединяться от одного до трех КП, образующих по-?
следовательную цепочку. Расстояние между ДП и КЩ
ограничивается параметрами ЛС, сопротивление которой^
не должно превышать 3 кОм, а ее емкость — 0,6 мкФ.
На каждом из подключенных к одной ЛС КП комп*^
леке ТМ-320 обеспечивает телесигнализацию 56 объектов.
По одной ЛС на все подключенные к ней КП может быть
передано 48 команд ТУ (ТР), причем каждая команда’
ТУ может быть использована для вызова двух датчиков;
ТИ-параметров или телефонного разговора.
Для ТИ используются первичные преобразователи/
(датчики) с выходным сигналом в виде постоянного тока ,
или напряжения. Погрешность ТИ без учета точности/
первичного преобразователя и измерительного прибора
составляет 1%.
Вся информация между ДП и КП передается спора-
дически. Команды ТУ инициируются диспетчером, сооб-
щения ТС — изменением положения контролируемого^
объекта, а ТИ — изменением ТИ-параметра на заданную
величину. С каждого КП может быть передан один ава-
рийный сигнал независимо от наличия на КП напряже-
ния, что дает возможность сигналнзнровать исчезновение
напряжения на КП.
В комплексе ТМ-320 передача различных видов ин-
формации разделяется во времени. Все виды ин-
формации, передаваемой с ДП на КП или с КП на ДП,
кодируются и имеют форму восьмиразрядных двоичных
чисел (байтов). Передача информации производится
циклами, ' каждый из которых содержит 22 такта, т. е.
используются 22-шаговые распределители. Распределение
передаваемой информации по тактам распределителей
при передаче как известнтельной, так и распорядитель-
ной информации показано на рнс. 13-8, а.
При передаче распорядительной информации с ДП на
КП (передача команды ТУ, вызов определенных ТИ или
ТС) первые два такта отводятся для передачи синхронн-
308
зирующего импульса СИ (рис. 13-8,а). На третьем такте
передается сигнал «квитанция» К, подтверждающий при-
ем информации в предыдущем цикле передачи. На чет-
вертом такте передается сигнал Р разрешения передачи
информации с КП. Следующие восемь тактов образуют
адресный байт. На этих тактах передается код функцио-
нального адреса ФА, т. е. «наименование» конкретной
команды ТУ (ТР) (такты 5—8), а также код номера
группы НГ ТС-объектов (такты 9-/2); такт 13 служит
для передачи контрольного импульса КИ, означающего,
что адресный байт содержит информацию и ее передача
завершена. На тактах 14—21 передается информацион-
ный байт, т. е. код номера объекта НО телеуправления.
На последнем такте 22 передается контрольный сигнал
КН информационного байта.
При передаче сообщения с КП на ДП такты 1 и 2 не
используются; на такте 3 передается сигнал «квитанция»
Л'. Адресный байт используется для передачи номера
Распоряди тельная ан(рармацая (ДП—•-КП)
СИР СИР СИИ
п п .........п п.........Л пп,____________
___I UUUUL_Jtf UUUUL-J8 I < ZZ ~
Паст. НКП#*)ПГКИ ТС КИ НКП(ФА)НГКИ ТС НИ постоянный тан
ток (ти) (ТИ)
КП^ДП
дп-+кп
СИ ФА К И НИ СИ ФА НИ КИСИ
в> П П П Ml П И_______Ofljj-
ласт, ток К
дл-*дп
СИ Р
ПИ и т.д.
LTEJET
НКПФАНГ
Рис. J 3-8. Передача информации в комплексе ТМ-320.
а — разделение передаваемой информации по тактам распределителей; б —
диаграммы сигналов в ЛС при спор адической передаче ТС (ТМ); в — диаг-
рамма сигналов в ЛС при контрольном вызове ТС с ДП.
309
контролируемого пункта HKJI на данной ЛС (такты
5—6), функционального адреса ФА передаваемого ТС
или ТИ (такты 7—8) и номера группы НГ ТС-объектов
(такты 9—12) . Информационный байт (такты 14—21) >
содержит код положения объектов ТС указанной группы
на данном КП или код значения телеизмеряеМого пара-
метра ТИ. Такты 13 и 22 отведены для передачи конт-
рольных сигналов КИ. Наличие контрольных сигналов
«защищает» передаваемую информацию от помех в ЛС
и аппаратуре комплекса. Кроме того, помехоустойчивость
увеличивается путем повторения передачи сообщения в
следующем цикле. При обнаружении сбоя формируется
запрос на повторную передачу сообщения. Сигнализация
неисправности комплекса ТМ-320 вступает в действие
при трехкратном сбое одного и того же сообщения.
На рис. 13-8, б, в показаны для примера диаграммы
сигналов в ЛС для режима спорадической передачи ТС
(ТИ) и для режима вызова ТС с ДП,
При отсутствии передачи информации ЛС обтекается постоян-
ным током от источника на /(//. Прекращение постоянного тока
свидетельствует о наличии заявки иа передачу или о иеисправкости
аппаратуры КП или ЛС. При этом (рис. 13-8, 6) с ДП в ЛС по-
сылается синхронизирующий импульс СИ и сигнал разрешения Р
передачи информации с КП. Получив эти сигналы, устройство КП
в этом же цикле передает иомер КП НКП, функциональный адрес
ФА ТИ (прн передаче ТИ) или номер группы НГ ТС-объектов
(при передаче ТС) и информационный байт (значение параметра,
ТЙ или группа ТС). Вся эта информация передается и в следую-
щем цикле. Если информация на ДП принята верно, то с ДП по-
сылается СИ и сигнал «квитанция» К, после чего восстанавливает-
ся обтекание ЛС постоянным током.
'При контрольном вызове ТС с ДП (рис. 13-8, в) в Л С в тече-
ние двух циклов посылается СИ и ФА контрольного вызова ТС, в
Соответствующих тактах посылаются также контрольные импульсы
КИ. В следующем цикле с КП передается сигнал К. Затем циклами
передается информация о всех группах ТС-объектов. Набор пере- _
даваемых сигналов при этом тот же, что и при спорадической пе-
редаче ТС.
Диспетчерский полукомплект комплекса ТМ-320 об-
ладает оперативной памятью, в которой хранится посту-
пающая с КП информация. ТС воспроизводится на
имеющейся на ДП мнемонической схеме системы электро-
снабжения, что обеспечивает возможность индивидуаль-
ной сигнализации положения всех контролируемых объ-
ектов. ТИ воспроизводится с помощью измерительных
приборов. Число одновременно воспроизводимых ТИ-па*
раметров не превышает десяти.
310
Комплекс ТМ-320 обеспечивает автоматический кон-
троль исправности аппаратуры и ЛС. Неисправная ЛС
может быть отключена без нарушения работоспособно-
сти остальной части комплекса.
Дальнейшим развитием устройств телемеханики, пред-
назначенных для использования в системах электроснаб-
жения, является комплекс устройств телемеханики
ТМ-310. Характерной особенностью этого комплекса яв-
ляется наличие устройства сопряжения с агрегатными
средствами вычислительной техники (АСВТ-М), что по-
зволяет вводить данные, получаемые с К77, непосредст-
венно в память ЭВМ и тем самым активно использовать
ЭВМ в процессе управления (в том числе и оперативно-
го) системой электроснабжения. Передача ЭВМ функ-
ций обработки поступающей телеинформации позволяет
существенно повысить эффективность работы диспетчера,
13-6. НАЗНАЧЕНИЕ АСУ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
/
Если объект управления прост и управляемые про-
цессы имеют аналитическое описание, управление может
проводиться автоматически, т. е. без участия человека.
При наличии сложных объектов управления, например
системы электроснабжения города или промышленного
предприятия, для которых аналитическое описание уп-
равляемых процессов отсутствует, автоматическое управ-
ление оказывается невозможным. Решающая роль в уп-
равлении сложным объектом остается за человеком,
Управление объектом, например системой электроснаб-
жения, всегда является целенаправленным, а следова-
тельно, необходимо предвидеть (прогнозировать) послед-
ствия управляющих воздействий на объект управления в
текущей конкретной ситуации. Это оказывается возмож-
ным только при обработке большого количества инфор-
мации, часть которой (оперативная информация) должна
обрабатываться в темпе процесса (в реальном времени).
По мере увеличения мощности системы электроснабже-
ния, усложнения ее конфигурации и режимов работы по-
требителей электроэнергии управление системой электро-
снабжения без использования ЭВМ оказывается мало-
эффективным.
Поэтому в последние годы широкое распространение
получили человеко-машинные системы управления, или
автоматизированные системы управления (АСУ). В за-
311
зисимости от решаемых АСУ задач управления создают-
ся различные виды АСУ. Если АСУ предназначена для
решения задач планирования производства, управления
финансовой деятельностью предприятия, учета и органи-
зации оборота материальных ресурсов, рациональной
перспективной загрузки оборудования и других задач, не
требующих обработки информации в темпе технологиче-
ского процесса (в реальном времени), то такая АСУ ио*
сит название АСУ предприятием — АСУП. Система АСУ,
назначением которой является обеспечение качественно-
го протекания технологических процессов, что невозмож-
но без обработки информации в темпе этих процес-
сов, называется АСУ технологическими процессами, или
АСУ ТП.
Электроснабжение города или промышленного пред-
приятия можно рассматривать как совокупность различ- -
ных технологических процессов, управление которыми
объединено одной целью — бесперебойное снабжение го-'Ч
рода или промышленного предприятия электрической
энергией определенного качества при минимуме затрат
на ее распределение. Поэтому основной задачей АСУ
электроснабжением (АСУЭ) является выбор и реализа-.
ция такой последовательности операций, которая состав*
ляет наилучший вариант управления конкретной систе-
мой электроснабжения в конкретных условиях ее рабо--
ты. Кроме того, на АСУЭ возлагается, как правило, и
решение задач, связанных со сбором и обработкой произ-
водственно-статистической информации, необходимой для
составления энергетических балансов, расчета технико-
экономических показателей и т: п. [68, 69]. Таким обра-
зом, для АСУЭ характерно как решение задач АСУ ТП,
так и решение некоторых задач АСУП. Такая АСУ на-
зывается организационно-технологической системой. На
промышленном предприятии АСУЭ является составной
частью (подсистемой) АСУ предприятием.
В АСУЭ все вычислительные и логические операции
выполняются ЭВМ. Эа человеком сохраняется только
творческая работа, что позволяет существенно повысить
производительность труда и эффективность "управления
системой электроснабжения. Быстрая переработка ЭВМ
больших объемов информации позволяет смоделировать
реакцию управляемой системы на управляющее воздей-
ствие. Человек в АСУЭ получает таким образом возмож-
ность анализировать результаты управляющих воздейст-
312
вий до их реализации, так как имеет в своем распоряже-
нии информационную экономико-математическую модель
управляемой системы.
13-7. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА АСУЭ
Создание АСУЭ наряду с определением и выбором
функциональных задач включает построение четырех
подсистем, обеспечивающих ее работу. Это подсистемы
информационного, технического, программного и органи-
зационного обеспечения АСУЭ.
Информационная подсистема определяет состав не-
обходимой информации, поступающей в ЭВМ и к диспет-
черу в требуемые сроки и в удобной для восприятия и
дальнейшего использования форме. Информационная
подсистема включает массивы информации, методы их
сбора, обработки и хранения. В АСУЭ содержатся и пе-
рерабатываются различные виды информации (норматив-
но-справочные данные^ текущие и архивные сведения о
нормальных и аварийных режимах работы системы элек-
троснабжения и т. д., что обусловливает разнообразие
используемых методов сбора, хранения и переработки ин-
формации.
Подсистема технического обеспечения представляет
собой комплекс технических средств, реализующий про- -
цессы сбора, передачи, обработки, отображения и хране-
ния информации. Подсистема технического обеспечения
включает в себя универсальные и управляющие цифро-
вые вычислительные машины (УВМ), включая их пери-
ферийные устройства, устройства сбора и передачи ин-
формации, в том числе и рассмотренные выше системы
телемеханики, а также устройства отображения инфор-
мации диспетчеру. В качестве последних в настоящее
время в АСУЭ начинают использоваться дисплеи, т. е.
автономные отображающие устройства с электронно-лу-
чевыми трубками, на экране которых в удобной для вос-
приятия человеком форме может представляться инфор-
мация, хранимая в памяти УВМ. Необходимым условием
построения подсистемы технического обеспечения явля-
ется возможность сопряжения всех видов технических
устройств, входящих в эту подсистему.
Подсистема программного обеспечения представляет
собой совокупность алгоритмов и программ, обеспечива-
ющих автоматическую переработку информации. Про-
20—529
313
граммиое обеспечение АСУЭ подразделяется иа общее и
специальное. Задачей программ общего математического
обеспечения является организация вычислительных про-
цессов в ЭВМ, первичная обработка поступающей в ЭВМ
информации и контроль правильного функционирования
АСУЭ. Программы специального математического обес-
печения призваны решать конкретные задачи управле-
ния системой электроснабжения и ее контроля. Разра-
ботка программного обеспечения является наиболее тру-
доемкой частью работы по созданию АСУЭ. От качества
и содержания программного обеспечения в большой сте-
пени зависит эффективность функционирования АСУЭ.
Подсистема организационного обеспечения включает
в себя комплект инструкций и предписаний оперативному
персоналу системы электроснабжения по эксплуатации
как отдельных составных частей, так и АСУЭ в целом.
В подсистему организационного обеспечения входят так-
же описания рассмотренных выше подсистем, описания
режимов работы технических устройств, входящих в ком-
плекс технических средств АСУЭ, и другая документация.
Функционально АСУ системой электроснабжениятак
же, как и АСУ другими управляемыми объектами* явля-
ется иерархической системой, т. е. состоит из отдельных
подсистем, выполняющих различные функции и находя-
щихся на разных ступенях иерархии. Функциональная
структура АСУЭ промышленного предприятия имеет
пять уровней иерархии, т. е. пять функциональных под-
систем. Два нижних уровня иерархии: подсистема защит
и ручного управления и подсистема локальной автома-
тики — являются базовыми уровнями АСУЭ.
Подсистемы базовых уровней функциональной струк-
туры АСУЭ призваны решать следующие задачи [68]:
релейная защита и технологическая защита основно-
го оборудования объектов системы электроснабжения,
т. е. автоматическое обеспечение безопасной работы обо-
рудования;
различного рода блокировки, а также локальное ав-
томатическое управление отдельными элементами объ-
ектов системы электроснабжения (АПВ, АВР, АЧР
и пр.);
автоматическое регулирование параметров отдельных
элементов системы электроснабжения. При этом исполь-
зуются устройства АРВ синхронных машин, АРКТ,
АРКОН и др.;
314
намерение различных электрических параметров (ток»
напряжение, активная мощность и др.) как для обеспе-
чения работы местных (локальных) устройств автомати-
ки, так и для передачи в другие подсистемы АСУЭ.
Третий уровень иерархии АСУЭ представляет собой
подсистема централизованного управления и контроля,
или информационно-управляющая подсистема, которая
решает задачи:
постоянного автоматического контроля за состоянием
системы электроснабжения (режим работы оборудова-
ния, положение коммутационной аппаратуры и пр.);
фиксации и анализа неисправностей;
оперативных переключений;
обработки первичной технологической информации,
ее хранения, отображения диспетчеру, передачи в другие
подсистемы АСУЭ;
передачи на объекты распорядительней информации,
поступающей из верхних уровней иерархии;
расчетов оперативных технико-экономических пока-
зателей (ТЭП) и эксплуатационных показателей техно-
логического процесса и работы оборудования;
диагностики и прогнозирования технологического про-
цесса и состояния основного оборудования энерго-
системы.
Подсистема планирования и учета, или учетно-расчет-
ная подсистема, Представляет собой четвертый уровень
иерархии АСУЭ. В круг решаемых этой подсистемой за-
дач входит:
составление балансов активной и реактивной мощно-
сти по отдельным цехам и по предприятию в целом;
анализ качества электроэнергии;
определение совмещенной 30-минутной нагрузки пред-
приятия в часы пика нагрузки районной энергосистемы;
автоматизированный коммерческий и технический
учет электроэнергии, потребляемой предприятием в це-
лом и его отдельными подразделениями;
расчет удельного расхода электроэнергии на единицу
выпускаемой продукции (для всех видов выпускаемой
продукции);
обработка и передача необходимой информации на
другие уровни иерархии АСУЭ и в АСУ предприятия.
Высшим уровнем иерархии АСУЭ является подсисте-
ма оптимизации работы системы электроснабжения пред-
приятия, которая решает в основном следующие задачи:
20*
315
обеспечение снижения потерь энергии в трансформа-
торах, а также в кабельных и воздушных линиях;
определение и реализация оптимальных параметров
качества электроэнергии в питающих и распределитель-
ных сетях;
оптимальное распределение реактивной мощности в
электрической сети предприятия как с точки зрения обес-
печения необходимого качества электроэнергии, так и с
точки зрения минимизации потерь активной мощности в -
электрической сети;
расчет и автоматическая реализация оптимальных ре-
жимов работы источников реактивной мощности [70];.
определение оптимальных условий питания предприя-
тия от районной энергосистемы и их реализация;
при наличии собственных источников электрического
питания (например, ТЭЦ предприятия) определение и
реализация условий их наиболее эффективного использо-
вания.
Задачи, решаемые на высшем и на других уровнях
иерархии АСУЭ, определяются возможностями исполь-
зуемых технических средств, включая ЭВМ» а также
уровнем математического обеспечения АСУЭ.
13-8. СРЕДСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В АСУЭ
Необходимым условием реализации АСУЭ является
быстрая автоматическая обработка больших объемов ин-
формации, что, естественно, невозможно без использова-
ния современных средств вычислительной техники. Так
как АСУЭ является организационно-технологической
АСУ, решающей задачи как АСУП, так и АСУТП, АСУЭ
реализуется на основе использования агрегатной систе-
мы средств вычислительной техники (АСВТ-М), которая
позволяет организовать управляющий вычислительный
комплекс (УВК), в котором ЭВМ оказывается непосред-
ственно связанной с источниками информации и с испол-
нительными цепями управляемых объектов системы
электроснабжения.
Система АСВТ-М содержит много различных агрегат-
ных модулей, которые по назначению в УВК могут быть
подразделены в основном на пять групп: процессор, уст-
ройства ввода й вывода информации (УВВ), устройства
связи с объектом (УСО), устройства внутрисистемной
316
связи (УБСС), устройства отображения и корректировки
информации (УОКИ),
Назначением процессора является переработка инфор-
мации, хранение оперативной информации, организация
ввода и вывода информации в УВК. В рамках АСВТ-М
промышленностью выпускаются в настоящее время про-
цессоры М-6000, М-7000, М-4030. Наименьшей произво-
дительностью из них обладает процессор М-6000, поэто-
му он используется, как правило, на первом этапе созда-
ния АСУЭ или на низких ступенях иерархии. Наиболь-
шую производительность имеет процессор М-4030, кото-
рый может быть использован на высших ступенях иерар-
хии. Отличительной особенностью этого процессора яв-
ляется возможность его непосредственного сопряжения
с различными внешними устройствами единой серии ЭВМ
третьего поколения, что позволяет создавать мощные
многомашинные УВК.
Устройства ввода и вывода информации УВВ пред-
назначены для считывания информации с внешних носи-
телей (перфокарты, клавиатура, магнитные ленты и т. п.),
ее преобразования и передачи в процессор, хранения на
внешних носителях и во внешних запоминающих устрой-
ствах информации, полученной от процессора. Функцией
УВВ является также генерация сигналов времени.
Назначением устройств внутрисистемной связи УВСС
является в основном преобразование сигналов ври обме-
не информацией между различными вычислительными
системами в многомашинных УВК.
Устройства отображения и корректировки информа-
ции УОКИ предназначены для визуального представле-
ния диспетчеру интересующей его информации, а также
для восприятия и передачи в процессор вносимых диспет-
чером уточнений и дополнительной информации. Эти
устройства реализуются, как правило, на базе использо-
вания электронно-лучевых трубок.
Все устройства УВК, выполненного на базе АСВТ-М,
имеют унифицированное сопряжение (так называемый
интерфейс 2К). При таком сопряжении соблюдается вы-
полнение совокупности условий (физических, конструк-
тивных, логических), что и позволяет из отдельных агре-
гатных модулей построить УВК, составляющий наряду
с устройствами релейной защиты, локальной автоматики
и телемеханики техническую основу АСУЭ.
317
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем.—
М.: Энергия, 1976.—560. с.
2. Зейлидзон Е. Д, Смирнов Э. П., Федосеев А. М. Основные
свойства релейной защиты от коротких замыканий электроэнерге-
тических систем. — Электричество, 1975, № 4, с. 1—7.
3. Гимоян Г. Г., Сараджев В. А. Особенности двухфазных ко-
ротких замыканий в маломощных сетях. — Электричество, 1968,
№ 7, с. 25—29.
4. Ульянов С, А. Электромагнитные переходные процессы. —
М.: Энергия, 1970. — 520 с.
5. Андреев В. А., Бондаренко Е. В. Релейная защита, автома-
тика и телемеханика в системах электроснабжения. — М.: Высшая
школа, 1975. — 376 с.
6. Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электрической энер-
гии на напряжениях до 1000 В. — М. — Л.: Энергия, 1970 г.— 120 с.
7. Голубев М. Л, Реле прямого действия.—М.: Энергия,
1966.—88 с. .
К Транзисторные устройства защиты, автоматики, сигнализации ..
н управления для КРУ 3—10,5 кВ/A. В. Бирюков, В. В. Гиршберг,
3. Н. Малиновская, А. И. Подаруев.—Электрические станции,
1971, № 3, с. 59—62.
9. Типовые узлы на полупроводниковых логических и функцио-
нальных элементах серии ЭТ/В.В. Гиршберг, С, М. Джаманицкий,
И. П. Кутлер и до. — М.: Энергия, 1966.—144 с.
10. Беркли Э. Символическая логика и разумные машины. М.:
Изд-во ицостр. лит., 1961.—260 с. 9
11. Гельфанд Я- С., Голубев М. Л., Царев М. И. Релейная за-
щита н электроавтоматика иа переменном оперативном токе.—М.:
Энергия, 1973.—280 с.
12. Арайс Р. Ж. Построение сложных защит, встраиваемых в
приводы выключателей: Автореф. дис. иа степень канд. техи. наук.
Рига, 1966. В надзаг.: М-во высш, и сред. спец, образования СССР,
Рижский политехи, ии-т.—31 с.
13. Лобко В. П., Млыичик И. С. Пружиино-грузовые приводы
к масляным выключателям.—М.: Энергия, 1970.—72 с.
14. Барзам А. Б. Системная автоматика.—М.—Л.: Госэнерго-
издат, 1958.—256 с.
15. Богорад А. М., Назаров Ю. Г. Автоматическое повторное
включение в энергосистемах. — М.: Энергия, 1969.—336 с.
16. Руководящие указания по релейной защите, (дополнение).
Дистаициоиая защита линий 35—330 кВ.—М.: Энергия, 1968.—
Вып. 7.16 с. ' $
17. Дистанционная защита ДЗ—10У2. Ииформэлектро 07.22.
16.73. —4 с.
318
18. Федосеев А. М. Основы релейной защиты.—М,-Л.: Гос-
энергоиздат, 1961. — 440 с.
19. Дроздов А. Д., КарннсккЙ Ю. И. Продольная дифференци-
альная защита линий с аналоюм соединительных проводов. — Изв.
вузов. Энергетика, 1961, №7, с. 1—9. *
20. Кискачи В. Схемы подключения защиты а сигнализации
однофазных замыканий при параллельных кабелях, — Электричество
1972, Ьбс. 13—17.
21. Кискачи В. М. Селективная чувствительная защита от за-
мыканий иа землю в сетях с малыми емкостными токами типа
ЗЗП-1.—Электрические станции, 1966, № 3, с. 66—70.
22. Гельфанд Я. G Избирательная защита линий торфоразра-
боток от замыканий на землю — Науч. тр./ЦНИИЭЛ.—М,—Л.: Гос-
энергоиздат, 1953, вып. 1, с. 25—29.
23. Кнскачн В. М., Назаров Ю. Г. Сигнализация замыканий
на землю в компенсированных сетях.—М.: Госэнергоиздат,
1962, с. 39—66.
24. Кискачи В. М., Назаров Ю. Г. Определение поврежденного
присоединения прн замыканиях на землю в кабельных сетях.—
Электрические станции, 1965. te 7, с. 60—64.
25. Кискачи В. М. Селективность сигнализации замыкаинй на
землю с использованием высших гармоник токов нулевой последо-
вательности.—Электричество, 1967, № 9, с. 24—29.
26. Учет влияния переходного сопротивления в системах сигна-
лизации замыканий на землю/ И. В. Жежелеико, К. К. Шевцов,
В.В, Масляник и др.—Электричество, 1969, № 10, с 12—15.
27. Домбровский В. В. Внутренние короткие замыкания в об-
мотке статора двухполюсного генератора (турбогенератора). —
Изв. вузе®. Электромеханика, 1960, № 9, с. 45—61.
28. Чернобровое Н. В» Релейная защита. — М.: Энергия, 1971.—
624 с.
29. Правила устройства электроустановок. — М. — Л.: ’Энергия,
1966. — 464 с.
30. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 1. Защита
генераторов, работающих на сборные шины. — М.: Госэнергоиздат,
1961.—68 с.
31. Ермоленко В. М., Федосеев А. М. Основные вопросы разви-
тия техники релейной защиты и лротивоаварийной автоматики, рас-
сматривавшиеся иа сессии СИГРЭ 1972. — В кил Релейная защита
и противоаварийиая автоматика (СИГРЭ—72). — М.: Энергия,
1975, с. 3—19.
32. Федосеев М. А. Исследование и разработка защиты мощных
синхронных генераторов от перегрузок токами обратной последо-
вательности. — Тр. ВНИИЭ, 1973, вып. 42, с. 39—55.
33, Иносов В. Л., Цукериик Л. В. Компаундирование и элект-
ромагнитный' корректор напряжения синхронных генераторов. —
М.: Госэнергоиздат, 1954.—149 с.
34. Автоматизация энергетических Систем/ А. Д. Дроздов,
А. С. Засыпкин, А. А. Аллилуев, М. М. Савии. — М.: Энергия, 1977.—
440 с.
35. Электротехнический справочник/Под ред. профессоров
МЭИ. — М.: Энергия, 1972, т. 2, кн. 1, разд. 41, с. 361—368.
36. Костюк О. М., Рыбинский В. Е., Цукерник Л. В. Новые ав-
томатические электромагнитные регуляторы возбуждения синхрон-
ных машин. — Электрические станции, 1959, № 11, с. 41—48.
319
37. Автоматические регуляторы возбуждения.— Науч, тр./ ВЭИ,
1966.— Вып. 73. 308 с.
3$. Беркович М. А., Семенов В. А, Основы автоматики энерго*
систем. — М.: Энергия, 1968—432 с.
39. Сильное регулирование возбуждения/ В. А. Вен яков,
Г. Р. Герденберг, С. Й. Совалов, Н. И. Соколов. — М. — Л.: Гос-
эиергриздат, 1963.—152 с.
40. Шабад М. А. Защита генераторов малой и средней мощнос-
ти. — М.: Энергия, 1973. — 376 с.
41? Хачатуров А. А. Несинхронные включения и ресинхрониза-
ция в энергосистемах. — М.: Энергия, 1969.—216 с.
42. Булитко А.. Д., Дерюгин Ф. Ф. Открытые плавкие вставки
иа стороне высшего напряжения понизительных подстанций. —
Электрические станции, 1960, № 1, с. 47—51.
43. Охремеико Г. Л. Расчет дифференциальной, токовой защиты
понижающих трансформаторов. — Электрические станции, 1977, №5,
с. 50—54.
44. Подгорный Э. В., Ульяницкий Е. М. Сравнение принципов
отстройки . дифференциальных реле от токов включения силовых
трансформаторов. — Электричество, 1969, № 10, с. 26—32.
45. Дмитренко А. М. Анализ работы схем время-импульсиых
дифференциальных реле с торможением. — В кн.: Новые устройст-
ва защиты и противоаварийной автоматики.—М.: Ииформэлектро^
1970, вып. 3, с. 35—48.
46. Гельфанд Я. С:, Шабад М. А, Повышение надежности за-
щиты трансформаторов 110 кВ упрощенных подстанций. — Элект-
рические станции, 1975, № 4, с. 48—51.
47. Дударев Л. Е. Новый принцип построения релейной защиты
блоков линия — трансформатор. — Электрические станции, 1974, х
№ 3, с. 58—61.
48. Голубев М. Л. Релейная защита и автоматика подстанций
с короткозамыкателями и отделителями. — М. — Л.: Энергия,
1965.—88 с.
49. Барзам А. Б. Выполнение АВР при современном составе
потребителей. — Электрические станции, 1976, № 8, с. 57—62.
50. Слодарж М. И.; Фридман А. Ю. Схемы автоматического
включения резервного питания при наличии высоковольтных син-
хронных и асинхронных электродвигателей. — Электрические стан-
ции, 1975, № 4, с. 53—57.
51. Слодарж М. И. Режимы работы, релейная защита и авто-
матика синхронных электродвигателей. — М.: ' Энергия, 1977. —
216 с.
52. Кожин А. Н., Рубинчик В. А. Релейная защита линий с от-
ветвлениями.— М.; Энергия, 1967.—262 с.
53. Коваленский И« В. Релейная защита. электродвигателей на-
пряжением выше 1000 В. — М.: Энергия, 1977.—105 с.
54. Беркович М. А., Семенов В. А. Основы техники и эксплуа-
тации релейной защиты. — М.: Энергия, 1971.—584 с.
55. Клетцель М. Я., Поляков В. И. О чувствительности токовых
защит электродвигателей при к. з. иа выводах. — Электрические
станциии, 1978, № 1,*с. 66—70.
- 56. Зимин Е. Н. Защита асинхронных двигателей до 500 В.—
М. — Л.: Энергия, 1967.—88 с.
57. Петелин Д. п. Автоматическое регулирование возбуждения
синхронных двигателей. — М.:' Госэнергоиздат, 1961.—104 с.
320
58. Глух Е. М., Зеленое В. Е. Защита полупроводниковых пре-
образователей.— М.: Энергия, 1970.—152* с.
59. Ермилов А. А. Электроснабжение промышленных предпри-
ятий.—М: Энергия, 1977.
60. Перламутрова Л. Е. Сигнализация пробоя секций конденса-
торов мощных конденсаторных батарей. — Электричество, 1969.
№ 7, с. 70—72. '
61. Ермилов А. А. Основы электроснабжения промышленных
предприятий. — М.: Энергия, 1976.—368 с.
62. Статические источники реактивной мощности в электричес-
ких сетях/ В. А. Веников, Л. А. Жуков, И. И. Карташев, Ю. П. Ры-
жов.— М.: Энергия, 1975.—134 с.
63. Реле защиты/ В. С. Алексеев, Г. П. Варганов, Б. И. Панфи-
лов, Р. 3. Розеиблюм. — М.: Энергия, 1976.—464 с.
64. Методические указания по автоматической частотной раз-
грузке (АЧР). Решение Минэнерго № Э-21/71. — М.: СЦНТИ
ОРГРЭС, 1972.—66 с.
65. Барзам А. Б. Системная автоматика. — М.: Энергия, 1973.—
392 с.
66. Плетнев Л. Ф., Трошин А. М. Устройства телемеханики в
городских электросетях. — М.: Энергия, 1972.— 192 с.
67. Пшеничников А. М., Портиов М.- А. Телемеханические си-
стемы на интегральных микросхемах. — М.:_ Энергия, 1977.—298 с.
68. Соскин Э. А. Основы диспетчеризации и телемеханизации
промышленных систем энергосиабжеиия. — М.: Энергия, 1977.—
400 с.
69. Соскин Э. А. Автоматизированные системы управления
энергохозяйством промышленных предприятий. — Промышленная
энергетика, 1976, № 9, с%2—6.
70. Рожков М. Г. Комплексное управление режимом работы
распределительной подстанции с ИРМ по напряжению и реактив-
ной мощности: Автореф. дис. иа степень каид. техи. иаук. М., 1977.
В надзаг.: М-во высш, и сред. спец, образования СССР, Моск,
энергетический ин-т. — 20 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
АВР 7, 152
линий 151
— двустороннее 155
— одностороннее 154
секции шин 195, 217—221
Автоматизированная система уп-
равления электроснабжением
311—317
--------обеспечивающие подсис-
темы 313, 314
--------структура 313—316
Автоматическое включение ня па-
раллельную работу с сетью:
синхронных генераторов 191—193
— двигателей и компенсаторов
251—257
Автоматическое отключение отдели-
теля на подстанции, выполненной
по упрощенной схеме 212—215
Автоматическое регулирование:
возбуждения двигателей 258, 259
----компенсаторов 188—191
----синхронных машин 176—191
•---с полупроводниковой систе-
мой возбуждения 185—188
— —-----электромашннным воз-
буждением 178—185
коэффициента трансформации
трансформаторов понижающих
подстанций 196, 221—226
мощности батарей конденсаторов
273-275
------плавное 275—277
Автоматическое управление тири-
сторными преобразователями 268,
269
Алгебра логики 77
АПВ 7, 9, 141
линий с односторонним питанием
141—147
----двусторонним питанием 147—
149 ♦ /
трансформаторов 195, 196, 217
частотное 8, 286, 287
АЧР 9, 278—281
быстродействующая 281
время срабатывания 285
количество очередей АЧР-1 284
отключаемая мощность нагрузки 285
с выдержкой времени 281
схема устройства 287, 288
частота срабатывания 284
Б
Быстрота срабатывания 11
322
&
Вычислительная техника в АСУЭ
315, 317“
Г
Газовая защита трансформатора
202, 203
Д
Дистанционное управление выклю-
чателем с пружинным приводом
137
--------электромагнитным приво-
дом 138—140
Дистанционные защиты линий 105
------------время срабатывания 106—108
------сопротивление срабатывания
106—108 -
Дифференциальная токовая защита
линий 123—125
обмотки статора синхронного гене-
ратора (компенсатора >:
поперечная 162, 163
продольная 160—162
Дифференциальная токовая защита
преобразователей 269
трансформатора 203—211
— с РНТ 209-211
----торможением 211
— ток срабатывания 208
Д нфференцнально-фазн ая токовая
защита линий 123—125
Дифференциальные роковые защи-
ты линий:
поперечная направленная 125—129
продольная 115—117
3
Защита батарей конденсаторов
270—272
на автоматическом выключателе
272
— предохранителях 271
Защита основная 13
Защита от потерн питания
синхронного компенсатора 172
электродвигателей 246—248
Защита преобразовательных уста-
новок 264—268
на автоматических выключателях
269, 270
— предохранителях 264, 265
Защита резервная 13
Защнтоспособиость 11
Защиты линий от замыканий на
землю 134—136
Защиты синхронного генератора
(компенсатора) от замыкайий на
землю:
в цени ротора 172—173
---статора 163—166
И
Измерительные преобразователи
телензмеряемого параметра 300—
302
выпрямительные 300—301
иидукцнонно-вынрямнтельные 301,
302
Измерительный орган:
АРВ синхронных компенсаторов
190, 191
защиты 13
электромагнитного корректора на-
пряжения 181
Информация:
качественная 291
количественная 291
Исполнительный орган:
АР В синхронных ком пенсаторов
190, 101
защиты 13
К
Канал связи 290, 305—307
Каскадное действие защиты 53,
98, 128
Кодирование 292, 309
Компаундирование синхронных ма-
шин:
токовое 178—180
фазовое 181—183
— управляемое 183—185
Контакты реле 14—16
Короткие замыкания:
двойные 22—23
двухфазные 20
— за трансформатором 24—30
однофазные 20—22
— за трансформатором 24—30
трехфазные 18—20
— за трансформатором 24—30
Корректор напряжения электромаг-
нитный 180, 181, 184
Коэффициент возврата реле 44
— регулирующего эффекта нагруз-
ки 279
Л
Линия связи 290
Логический орган защиты 76, 77
М
Мертвая зона защиты 98
Мультивибратор Роера 303, 304
Н
Надежность функционирования 11
О
Оперативный ток 82—86
И
Повреждения н ненормальные ре-
жимы
батарей конденсаторов 270, 271
лнннй 17, 18
преобразовательных установок
259-264
синхронных генераторов н компен-
саторов 156—160
трансформаторов 193, 194
электродвигателей 226—229
Погрешности телеизмерения 298. 299
— трансформаторов тока 59—6,1
Пусковой орган напряжения АВР
152, 153
Р
Реле 43
времени 79, 80
измерительные 44
— сопротивления ПО—112
— тока 67—68
— — индукционное 71—76
— — полупроводниковое 76
электромагнитное 68—71
— частоты 281—284
— — индукционное 281, 282
•--полупроводниковое 283, 284
классификация 44
логические 44, 77
направления мощности 101, 102
промежуточные 81
указательные 81
Релейная форсировка возбуждения
синхронных машнн 176
С
Селективность абсолютная 13
— относительная 13
Система электроснабжения 5
Системы ТИ 297—299
импульсные 302, 303
интенсивности 302
частотные 304
Системы телемеханнкн кодо-нм-
пульсные 308—311
Системы ТУ—ТС 293-297
с временным разделением сигна-
лов 296—297
— коммутационным разделением
сигналов 293—295
— частотным разделением сигна-
лов 295, 296
Схема АВР секции шин 218, 219
Схема АПВ линии прн наличии
выключателя:
с пружинным приводом 144
— электромагнитным приводом 145,
146
включения реле направления
мощности 103, 104
— дистанционной защиты 112—115
Схема защиты синхронного элект-
родвигателя на переменном опе-
ративном токе 249—251
---трансформатора на перемен-
ном оперативном токе 215—217
— соединений трансформаторов и
реле тока 61—65
— токовая защита принципиальная
86-93
— управления двигателем привод-
ного механизма РПН 225
— устройств АЧР и ЧАПВ 287, 288
323
г
Телеизмерение 289, 291
Телерегул ированне 289, 291
Телесигнализация 289, 291
Телеуправление 289, 291
Tor возврата реле 49
— срабатывания реле 49
Токовая отсечка 50
линнн с двусторонним питанием 52
— пуском по напряжению 53
— тупиковой 52
Токовая защита линий 13, 32
максимальная 45
— время срабатывания 45, 46
— с независимой характеристикой
выдержки времени 47
— ограниченно зависимой характе-
ристикой выдержки времени 47
— ток срабатывания 47—49
иа автом этических выключателях
39—43
направленная 94
— время срабатывания 96
— ток срабатывания 97
----от замыканий на землю в се-
ти с изолированной нейтралью
130—133
на предохранителях 32—39
нулевой последовательности 65—67
со ступенчатой характеристикой
выдержки времени 55—56
Токовые защиты синхронных гене-
раторов:
двухступенчатая от к, з. в цепи
статора и внешних к. з. 174, 175
комбинированные от внешних к. з.
н перегрузок 167—172
максимальная от к. з. в цепи ста-
тора и внешних к. з. 174
нулевой последовательности 164—
165
обратной последовательности 168—
172
Токовые защиты трансформаторов
196—201
двухступенчатая 197, 198
на предохранителях 196, 197
нулевой последовательности 200,
201
от перегрузок 201
с пуском по напряжению обратной
последовательное! н 198—200
Токовые защиты электродвигате-
лей:
нулевой последовательности 235—•
238
обратной последовательности 240—
242
от асинхронного режима синхрон-
ных двигателей 242—246
— к, з. и перегрузок 232—233
— перегрузок 238—240
Трансформаторы тока 57—61
— — нулевой последовательности
132
У
Ускорение действия защит линяй
прн наличии АПВ 149—151
Устойчивость функционирования It
— быстроты срабатывания 11
Ч
Чувствительность защиты 49, 50
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие.............................................. 3
Введение ................................................ 5
В-1. Назначение релейной защиты и автоматики систем элек-
троснабжения ......................................... 5
' В-2. Основные особенности релейной защиты и автоматики
в системах электроснабжения ,...................... 9
В-3. Требования, предъявляемые к релейной защите н ав-
томатике ..............................................13
В-4. Основные принципы построения защит.................13
В-5. Изображение реле на принципиальных схемах релейной
защиты.................................................14
Глава первая. Виды повреждений и ненормальных ре-
жимов работы линий .................................... 17
1-1. Виды повреждений................................. 17
1-2, Междуфазные короткие замыкания.................. 13
1-3. Однофазные короткие замыкания ....... 20
1-4. Однофазные замыкания на землю .................21
1-5. Двойное замыкаине иа землю.....................23
1-6. Токи в линии при повреждении на стороне низшего на-
пряжения трансформаторов приемной подстанции . . 24
1-7. Разрыв фазы...................................... 30
Глава вторая. Токовые защиты линий . ....г 32
2-1. Принцип действия токовых защит.....................32
2-2. Использование предохранителей для максимальной то-
ковой защиты...........................................32
2-3. Использование электромагнитных и , тепловых расцепи-
телей выключателей до 1000 В (автоматических вы-
ключателей) для- реализации токовых защит ... 39
2-4. Принципы выполнения токовой защиты с использова-
нием реле..............................................43
2-5. Максимальная токовая защита линий ...... 45
2-6, Токовая отсечка......................... 50
2-7. Токовая защита со ступенчатой характеристикой вы-
держки времени.........................................55
2-8. Измерительные трансформаторы тока в устройствах
релейной защиты . . ...........................57
2-9. Схемы соединений трансформаторов тока и реле тока 61
2-10. Токовая защита нулевой последовательности от к, з.
иа землю в сети с глухозаземленной нейтралью . , 65
2-11. Измерительные реле токовых защит ...... 67
326
С гр.
2-12. Логические реле защиты.........................., 76
2-13. Источники оперативного тока........................82
2-14. Принципиальные схемы токовой защиты линии , . 86
2-15. Оценка токовых защит линий....................... 93
Глава третья. Токовые направленные защиты линий . . 94
3-1. Принцип действия....................................94
3-2. Максимальная токовая направленная защита . . . 95
3-3. Зона каскадного действия н мертвая зона защиты . . 98
3-4. Первые и вторые ступени токовых направленных защит 99
3-5. Требования, предъявляемые к реле направления мощ-
ности .............................................100
3-6. Индукционное реле направления мощности , . . » 101
3-7. Полупроводниковые реле направления мощности . < 102
3-8. Схемы включения реле направления мощности . , , ЮЗ
3-9. Оценка токовой направленной защиты . » 105
Глава четвертая. Дистанционные защиты линий . . 105
4-1. Принцип действия защиты й выбор параметров сраба-
тывания . ,.......................................105
4-2. Основные органы защиты............................109
4-3. Реле сопротивления . ..........................НО
4-4. Принципы выполнения схем дистанционной защиты . 112
Глава пят а я. Дифференциальные токовые защиты линий 115
5-1. Принцип действия продольной дифференциальной то-
ковой защиты......................................115
5-2. Определение параметра срабатывания защиты . . . 11 7
5-3. Способы повышения чувствительности н отстроенностн
защиты............................................118
5~4, Выполнение защиты с проводным каналом связи . . 121
5-5. Принцип выполнения дифференциально-фазной токо-
вой защиты с высокочастотной блокировкой . . . 123
5-6. Принцип действия и параметры срабатывания попереч-
ной дифференциальной токовой направленной защиты 125
Глава шестая. Защиты линий от замыканий на землю 12)
6-1. Назначение и виды защит . . . ... . 129
6-2. Токовая защита нулевой последовательности . .133
6-3. Оценка токовой защиты нулевой последовательности 133
6-4. Другие принципы осуществления защит от замыканий
на землю ,..........................................134
Глава седьмая. Автоматическое включение линий . . 136
7-1. Дистанционное управление коммутирующими аппара-
тами . . *...................................136
7-2. Назначение АПВ. Требования, предъявляемые к уст-
ройствам АПВ . 141
7-3. Параметры действия устройства АПВ . . . . . 141
7-4. Устройства АПВ..................................... 143
7-5. Особенности АПВ линий с двухсторонним питанием . . 147
7-6. Ускорение действия защиты линий прн наличии АПВ. . 149
7-7. Автоматическое включение ‘ резервных линий . . . Л57
.326
Стр.
7-8. Одностороннее АВР .........................; НИ
7-9 Двухстороннее АВР...................................155
Глава восьмая. Релейная защита и автоматика генера- —
торов и синхронных компенсаторов..........................155
8-1. Назначение и внды автоматических устройств синхрон-
ных генераторов и компенсаторов.........................
8-2. Повреждения и ненормальные режимы работы син-
хронных генераторов и компенсаторов ............... 156
8-3. Продольная дифференциальная токовая защита обмот-
ки статора от междуфазиых к. з. . : . , . . 160
8-4. Поперечная дифференциальная токовая защита от за-
мыканий между витками одной фазы обмоткн статора 162
8-5. Защита от однофазных замыканий на землю в цепи
статора . . . . ........................163
8-6. Токовые защиты от внешних к. з. н перегрузок . ’. . 167
8-7. Минимальная защита напряжения синхронного ком-
пенсатора ...................................... . . 172
8-8, Защита от замыканий иа землю в цепи цозбуждення 172
8-9. Особенности защиты генераторов малой мощности , . 173
8-10. Релейная форсировка возбуждения , . . . . . 176
8-11. Устройства автоматического регулирования возбуж-
дения синхронных машин . . . . . ... .
8-12. Устройства для автоматического включения 'синхрон-
ных машин на параллельную работу....................191
Глава девятая. Релейная защита и автоматика транс-
форматоров ...............................................193
9-1. Повреждения и ненормальные режимы работы тран-
сформаторов . ,...............................193
9-2. Виды и назначение автоматических устройств транс-
форматора ..........................................195
9-3. Токовые защиты трансформаторов ,...................196
9-4. Газовая защита трансформатора......................202
9-5. Продольная дифференциальная токовая защита транс-
форматора ........................................ 203
9-6. Отключение трансформаторов от устройств релейной
защиты при отсутствии выключателя иа стороне выс-
шего напряжения.........................................212 *
9-7. Схема защиты трансформатора иа переменном опера-
тивном токе . . . , .....................215
9-8. Особенности АПВ трансформаторов...................217
9-9. Автоматическое включение резервного источника пита-
ния при отключении трансформатора...................217
9-10. Автоматическое регулирование коэффициента транс-
формации (АРКТ).....................................221
Глава десятая. Релейная защита и автоматика элект-
родвигателей .............................................226
10-1. Повреждения и ненормальные режимы работы элект-
родвигателей. Виды устройств защиты н автоматики 226
10-2. Защита от коротких замыканий в обмотке статора . 232
10-3. Защита от однофазных замыканий обмоткн статора
иа землю ... ,........................... . 235
327
Стр.
10-4. Зашита от перегрузки асинхронных двигателей . . 238
10-5. Защита синхронных двигателей от асинхронного ре-
жима и перегрузки ......................................242
10-6. Защита от потери питания . . ... . . . 246
10-7, Схема защиты синхронного Двигателя на переменном
оперативном токе........................................249
10-8. Схемы автоматического пуска и останова синхронно-
го двигателя .................................... ..... 251
10-9. Особенности автоматического регулирования возбуж-
дения синхронных двигателей......................... . 258
Глава одиннадцатая. Устройства релейной защиты и
автоматики преобразовательных установок н статических ис-
точников реактивной мощности ............................259
11-1. Повреждения и ненормальные режимы работы преоб-
разовательных установок.................................259
11-2, Устройства защиты преобразовательных установок . 264
11-3. Устройства защиты и автоматики батарей конден-
саторов ................................................270
11 -4. Принципы автоматического управления режимом ра-
боты статических конденсаторов прн использовании уп-
равляемых вентилей ....................................275
Глава двенадцатая. Устройства автоматической час-
тотной разгрузки . ................................278
12-1. Назначение и принципы организации автоматической
частотной разгрузки.....................................278
12-2. Реле частоты......................................281
12-3. Параметры срабатывания АЧР........................284
12-4. АПВ после АЧР (ЧАПВ)..............................286
12-5. Схемы устройств АЧР и ЧАПВ......................; Ж?
Глава . тринадцатая. Телемеханизация в системах'
электроснабжения и автоматизированная система управления 289
13-1, Назначение и виды устройств телемеханики . . . 289
13-2. Системы ТУ —ТС...................................'291
13-3. Системы ТИ , . ..................................297
13-4. Каналы связи......................................305
13-5. Современные устройства телемеханики, используемые
в системах электроснабжения ........ 307
13-6. Назначение АСУ системы электроснабжения . . . 311
13-7. Принципы построения и структура АСУЭ .... 313
13-8, Средства вычислительной техники, используемые
в АСУЭ . . . . . .......................316
Список литературы....................................... 318
Предметный указатель . ......................... 322