/
Author: Фигурнов Е.П.
Tags: электротехника электроэнергетика электроника электричество электрические сети релейная защита реле защиты реле
ISBN: 978-5-89035-580-5
Year: 2009
Text
ВЫСШЕЕ
maKWbHCE06A-JB*ie
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
Часть 1
'///////
Учебник
Е.П. Фигурнов
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
В 2 частях
Часть 1
Основы релейной защиты
3-е издание, переработанное
и дополненное
Допущено
Федеральным агентством железнодорожного транспорта
в качестве учебника для студентов вузов
железнодорожного транспорта
Москва
2009
УДК 621.316.925 (075.8)
ББК 31.27-05я73
Ф49
Рецензенты: заместитель начальника технического отдела Департамента
электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» А.Р. Ранта; зав. кафедрой
«Энергоснабжение электрических железных дорог» МИИТа, д-р техн, наук, проф.
М.П. Бадер
Фигурнов Е.П.
Ф49 Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. —
М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на желез-
нодорожном транспорте», 2009. — 415 с.
ISBN 978-5-89035-578-2 (Общ.)
ISBN 978-5-89035-580-5 (Ч. 1)
В первой части учебника изложены сведения о назначении и основных
свойствах релейной защиты. Рассмотрены измерительные преобразователи
и источники питания защит. Приведены описания основных видов реле элек-
тронных комплектов и микропроцессорных терминалов, используемых в ус-
тройствах защиты. Рассмотрены принципы, схемы, особенности и методы
расчетов уставок защиты электрических сетей, генераторов, электродвига-
телей и трансформаторов. Даны примеры расчетов.
Во второй части учебника рассмотрены особенности защиты электротя-
говых сетей постоянного и переменного тока от коротких замыканий и не-
нормальных режимов. Приведены сведения о специальных электронных
комплектах и микропроцессорных терминалах устройств защиты тяговых се-
тей, линий ДПР и продольного электроснабжения, а также элементов обо-
рудования тяговых подстанций. Изложены методы выбора уставок зашит,
приведены примеры расчетов. Даются сведения о расчете надежности за-
щит, техническом обслуживании и аппаратуре проверки защит. Рассмотре-
ны вопросы автоматического определения удаленности коротких замыка-
ний и опробования контактной сети на отсутствие повреждений.
Предназначен для студентов вузов железнодорожного транспорта; мо-
жет быть полезен слушателям курсов повышения квалификации, а также ин-
женерно-техническим работникам, занятым разработкой, проектировани-
ем и эксплуатацией релейной защиты.
УДК 621.316.925 (075.8)
ББК 31.27-05я73
ISBN 978-5-89035-578-2 © Фигурнов Е.П., 2009
ISBN 978-5-89035-580-5 ©ГОУ «Учебно-методический центр по образованию
на железнодорожном транспорте», 2009
© ООО «Издательский дом «Транспортная книга», 2008
Фигурнов Евгений Петрович
Российский ученый в области электрифи-
кации и электроснабжения железных дорог. у *
Заслуженный деятель науки и техники Россий- 5
ской Федерации. Звание присвоено в 1987 г. -
Родился 24.10.1926 г. в Ленинграде. Окон- —к
чил Московский электромеханический инсти-
тут инженеров железнодорожного транспор-
та (1949). Принимал участие в электрифика- «ИНЯнМИИНИ
ции Западной железной дороги. Н9Н|^Н9яИМ^К
С 1953 г. по настоящее время работает в Ро- ВЯИнН&КИВНЯ
стовском государственном университете путей
сообщения (РИИЖТ-РГУПС). В 1963 г. основал кафедру «Электроснаб-
жение электрифицированных железных дорог», которой руководил око-
ло 30 лет.
Кандидатскую диссертацию защитил в 1952 г. Звание доктора техни-
ческих наук присвоено в 1972 г., профессора — в 1973 г.
Автор 357 печатных работ. Имеет 126 авторских свидетельств и патен-
тов на изобретения. Автор учебника для вузов «Релейная защита», 12 мо-
нографий и учебных пособий. Основал научную школу в области элект-
рификации тяги, автоматизации и технической диагностики тяговых се-
тей. Подготовил трех докторов и более 20 кандидатов технических наук.
Известен в стране и за рубежом как выдающийся ученый и инженер,
внесший значительный вклад в развитие электрификации железнодо-
рожного транспорта. Более 30 его инженерных разработок внедрены на
железнодорожном транспорте и отмечены двумя золотыми, серебряной
и пятью бронзовыми медалями ВДНХ.
Фигурнову Е.П. присвоены звания «Лучший изобретатель железно-
дорожного транспорта» и «Лучший изобретатель Дона». Награжден ор-
деном «Знак Почета» и тремя медалями, а также знаками «Почетному
железнодорожнику» и «Почетный работник высшего профессиональ-
ного образования РФ».
Евгений Петрович Фигурнов является почетным академиком Рос-
сийской академии транспорта, действительным членом Украинской
транспортной академии, Международной академии наук высшей шко-
лы, Академии инженерных наук.
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электрифицированный железнодорожный транспорт является мощ-
ным и весьма специфическим потребителем электроэнергии, подклю-
ченным во многих точках к энергетической системе России. Аварий-
ные и ненормальные режимы (короткие замыкания, несимметричные
перегрузки, плавка гололеда и т.п.) в развитой системе электроснабже-
ния тяги, работающей в гораздо более сложных условиях, чем сети об-
щепромышленного назначения, могут оказать существенное негатив-
ное влияние на работу железных дорог и региональных энергетических
систем, на качество электроэнергии и работоспособность электрообо-
рудования.
Релейная защита выполняет весьма ответственные функции, предот-
вращая или уменьшая тот ущерб, который может возникнуть в системах
электроснабжения из-за коротких замыканий или ненормальных режи-
мов. Она оказывает существенное влияние на живучесть системы элек-
троснабжения и устойчивость электропитания потребителей.
Курс по изучению релейной защиты входит во все учебные планы элек-
тротехнических и электроэнергетических специальностей высших учеб-
ных заведений и относится к числу основных дисциплин, формирующих
общепрофессиональную и специальную подготовку специалиста.
Учебник предназначен для студентов вузов путей сообщения, обуча-
ющихся по направлению 657700 «Системы обеспечения движения по-
ездов» (специальность 190401/101800 «Электроснабжение железных до-
рог») и может быть использован студентами других вузов, обучающихся
по направлению 65090 «Электроэнергетика» (специальности 100400
«Электроснабжение» и 210400 «Релейная защита и автоматика»),
В учебнике достаточно подробно отражены все главные вопросы,
касающиеся основ релейной защиты и защиты электроэнергетических
установок общего назначения с учетом широкого профиля подготовки
инженеров-электриков. Вместе с тем особое внимание уделено защи-
там систем тягового электроснабжения.
Учебник состоит из двух частей. Первая часть посвящена основам ре-
лейной защиты. В ней рассмотрены основные понятия, измерительные
4
преобразователи, принципы действия, конструкции и схемы реле, в том
числе современные микропроцессорные интеллектуальные терминалы,
защиты сетей, генераторов, электродвигателей и трансформаторов.
Вторая часть посвящена релейной защите устройств тягового элект-
роснабжения систем постоянного тока, переменного тока 1x27,5 и 2x27,5 кВ,
защите от перегрузки, техническому обслуживанию релейных защит.
По сравнению с предыдущими изданиями существенно дополнены
сведения о микропроцессорных защитах и интеллектуальных термина-
лах, переработан и дополнен раздел по выбору уставок защит тяговых се-
тей с учетом новых Руководящих указаний по релейной защите систем
тягового электроснабжения. Дополнен раздел по современным средствам
технического обслуживания. Рассмотрены также вопросы опробования
контактной сети и определения удаленности места короткого замыкания
в ней.
Большое число справочных данных и примеров расчета, приведен-
ных в учебнике, поможет студенту при выполнении курсового и дип-
ломного проектов (работ). Материал учебника будет весьма полезен
инженерно-техническим работникам, занятым проектированием, на-
ладкой и эксплуатацией релейной защиты.
Особое внимание уделено библиографии. В ней собраны наиболее
важные источники для более подробного ознакомления с теми специ-
альными вопросами, которые в учебнике отражены недостаточно пол-
но. Особенно это важно для преподавателей, аспирантов, молодых уче-
ных и разработчиков.
При написании учебника большую помощь оказали автору его уче-
ники и соратники. Пункт 3.6 написан Ю.И. Жарковым, пп. 3.7, 8.3, 8.4,
8.6, 12.5 — Е.П. Фигурновым и Ю.И. Жарковым, пп. 8.2 и 13.2 —
Е.П. Фигурновым и И.П. Петровым, глава 10 — Е.П. Фигурновым и
Т.Е. Петровой, пп. 12.1, 12.2 и 12.3 написаны Е.А. Стороженко. В п. 3.7
частично использованы материалы, предоставленные С.А. Гондуро-
вым, В.Г. Езерским, О.Г. Захаровым, А.Д. Кондаковым и А.В. Ми-
зинцевым [143].
Автор выражает глубокую благодарность рецензентам, советы и за-
мечания которых способствовали улучшению содержания книги.
Внимание читателя! Список рекомендуемой литературы находится:
часть 2 данного учебника, стр. 592.
5
ВВЕДЕНИЕ
Технический прогресс во всех отраслях связан с автоматизацией тех-
нологических процессов и систем управления производством как важ-
нейшим фактором повышения производительности труда. На первом
этапе автоматизация использовалась в первую очередь для облегчения
труда и повышения его качества на отдельных наиболее трудоемких опе-
рациях, производственных процессах. Постепенно область автоматиза-
ции расширилась до целых производств. Стали создаваться автомати-
зированные системы управления отраслями.
Автоматизированная система управления электроснабжением желез-
нодорожного транспорта (АСУЭ), которая находится в стадии становле-
ния, призвана обеспечить оптимальные условия передачи и распределе-
ния электроэнергии железнодорожным и нетранспортным потребителям
в нормальных и аварийных режимах. Нарушение нормального режима
одного из элементов системы электроснабжения может повлечь за собой
нарушение всего процесса перевозок на значительном расстоянии. Осо-
бенностью функционирования системы электроснабжения является, в
частности, быстротечность электромагнитных и электромеханических
процессов при аварийных ситуациях (нарушениях нормального режима),
вследствие чего диспетчерский или оперативный персонал не может ус-
петь вмешаться в эти процессы для предотвращения их развития.
Различают устройства технологической и системной автоматики. Тех-
нологическая автоматика управляет локальными процессами нормаль-
ного режима на отдельных объектах и не оказывает существенного воз-
действия на режим работы системы электроснабжения в целом. К таким
устройствам относятся, например, устройства автоматического включе-
ния обдува силовых трансформаторов, освещения территорий и т.п. Сис-
темная автоматика осуществляет управление, оказывающее заметное
влияние на режим работы значительной части системы электроснабже-
ния.
Системная автоматика, в свою очередь, делится на автоматику уп-
равления в нормальных и аварийных режимах. Автоматика управления
6
в нормальных режимах обеспечивает должный уровень напряжения и
повышение экономичности. К ней относятся, например, устройства
автоматического регулирования напряжения на шинах тяговых подстан-
ций. К автоматике управления в аварийных режимах относятся устрой-
ства релейной защиты, а также сетевая автоматика (автоматическое
включение резерва, автоматическое повторное включение, опробова-
ние контактной сети на наличие короткого замыкания, определение
места короткого замыкания и др.).
Являясь составной частью комплекса устройств автоматики, релей-
ная защита обладает в то же время спецификой, выделяющей ее в само-
стоятельное научное и научно-техническое направление, основы кото-
рых базируются на фундаментальных положениях теории стационар-
ных и нестационарных электромагнитных и электромеханических
процессов, теории надежности, математической логики, электрических
аппаратов, электроники и микроэлектроники и др. Назначением релей-
ной защиты является локализация повреждений, предотвращение или
сокращение ущерба при внезапном возникновении повреждений или
ненормальных режимов работы электроэнергетических устройств пре-
образования и распределения электроэнергии, обеспечение устойчиво-
сти, надежности и живучести системы электроснабжения.
Релейная защита является обязательной частью всех электроэнерге-
тических установок, объектов и систем напряжением 1 кВ и выше. Она
имеет особо важное и самостоятельное функциональное назначение,
представляет собой сложную информационную систему, состоящую из
комплекса взаимосвязанных электромагнитных, электронных и мик-
роэлектронных устройств, а также источников питания.
Защита первых электрических установок от коротких замыканий
осуществлялась с конца XIX столетия плавкими предохранителями.
В начале XX в. появились сначала реле тока, а потом и реле напряже-
ния. С 1910 г. начинают использоваться токовые защиты, дополнен-
ные реле направления мощности. Реле сопротивления как составная
часть дистанционной защиты стали выпускаться в начале 20-х гг. Для
реле тока и напряжения использовались электромагнитные механиз-
мы; реле направления мощности и сопротивления выполнялись на
индукционном принципе.
К началу 30-х гг. относится появление высокочастотных защит ли-
ний электропередач с электронными лампами. С конца 40-х гг. намети-
лась тенденция конструирования реле с использованием полупровод-
7
никовых диодов и транзисторов. Уже в 60-х гг. такие реле стали полу-
чать все большее распространение, и в настоящее время, например, вме-
сто индукционных реле направления мощности и сопротивлений вы-
пускаются полупроводниковые и микропроцессорные.
В 80-х гг. стали появляться отдельные реле и комплекты защит, вы-
полненные с применением элементов микроэлектроники (аналоговых и
цифровых микросхем). Дальнейшая тенденция развития техники релей-
ной защиты связана с использованием микропроцессорных комплексов.
Такие комплексы осуществляют как функции релейной защиты, так и
ряд дополнительных и сервисных функций (автоматическое повторное
включение, определение места повреждения, фиксация параметров ава-
рийного режима и т.п.) с отображением на встроенном дисплее.
С развитием техники релейной зашиты уменьшались ее габариты и
собственное электропотребление, улучшались ее характеристики, по-
вышались быстродействие, чувствительность и надежность, совершен-
ствовались алгоритмы функционирования. Все это позволяет более уве-
ренно решать основную проблему: быстродействующее автоматическое
и четкое разграничение аварийного и нормального режимов.
История развития релейной защиты в довоенное время неразрывно
связана с именами таких крупных ученых, как В.И. Иванов, Е.А. Кар-
пович, Н.Ф. Марголин, П.И. Рыжов, Л.Е. Соловьев, Ф.А. Ступель и др.
[9— 11]. В послевоенные годы вышла обобщающая монография Г.И. Ата-
бекова L12J, посвященная теоретическим основам релейной защиты.
С именем И.М. Сироты и его школы (АН УССР) связаны фундамен-
тальные работы в области источников информации для релейной за-
щиты (трансформаторы тока и напряжения, фильтры), защиты от за-
мыканий на землю [ИЗ, 114, 115, 117].
В 60-е гг. XX в. сложились три наиболее яркие школы в области ре-
лейной защиты, которые оказывали решающее влияние на ее развитие
в течение нескольких десятков лет. Руководили ими выдающиеся уче-
ные А.М. Федосеев (Москва), В.Л. Фабрикант (Рига), А.Д. Дроздов (Но-
вочеркасск) [13—17]. В этот период специалистам удалось сильно про-
двинуться в усовершенствовании устройства электромеханических реле,
создании защит электрооборудования и сетей высокого и сверхвысоко-
го напряжения. Это же время считается началом «полупроводниковой
эры» в устройствах защиты и автоматики.
Обобщающие сведения о релейной защите электрических систем в
70—90-х гг. XX в. содержатся в [16—24]. Достижения последующих лет
отражены в [139, 140, 141].
8
Для защиты оборудования тяговых подстанций электрифицирован-
ных железных дорог используются в основном те же защиты, что и на
понизительных подстанциях энергосистем. Особое место занимают за-
щиты тяговых сетей, обладающие своей спецификой. В тяговых сетях
постоянного и переменного тока максимальные токи нагрузки являют-
ся соизмеримыми с минимальными (удаленными) токами короткого
замыкания и это обстоятельство вызывает существенные трудности для
защиты, которая должна четко разграничить эти режимы. Для этого за-
щиту стремятся выполнить так, чтобы она реагировала на какие-либо
дополнительные признаки, характерные для нормальных и аварийных
режимов именно тяговых сетей.
В тяговых сетях постоянного тока защита от коротких замыканий
осуществляется главным образом с помощью автоматических быстро-
действующих выключателей, которые совмещают в себе функции за-
щиты и коммутации высоковольтной цепи. Большая работа по совер-
шенствованию таких выключателей выполнялась во Всесоюзном (ныне —
Всероссийском) научно-исследовательском институте железнодорож-
ного транспорта (ВНИЮКТ) под руководством И.И. Рыкова. В допол-
нение к этим выключателям применялись защиты, реагирующие на
уровень напряжения в контактной сети, в том числе и предложенные
К.Г. Кучмой (Днепропетровский институт инженеров железнодорожного
транспорта — ДИИТ). Важное значение и большую практическую зна-
чимость имели работы по основам теории защит, реагирующих на неста-
ционарные процессы в тяговой сети. Эти работы в Московском институ-
те инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ-МГУПС) начина-
лись ГГ. Марквардтом; их продолжение и успешное дальнейшее развитие
осуществлено В.Н. Пупыниным. Основные достижения в этой области, от-
носящиеся к 40-м XX в. гг., описаны в [1], а к послевоенным годам — в [25].
Совершенствование защит тяговой сети постоянного тока в последние
десятилетия связано, в основном, с работами ученых МИИТа (В.Н. Пу-
пынин) и ВНИИЖТа (В.Я. Овласюк). В конце 90-х гг. в разработке мик-
ропроцессорных защит стали принимать участие специалисты Научно-ис-
следовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В. Еф-
ремова (НИИЭФА).
В 60-х гг. XX в. на отечественных железных дорогах началось интенсив-
ное внедрение электрической тяги на однофазном переменном токе. Для
защиты тяговых сетей в этот период использовались реле тока и индукци-
онные реле сопротивления общепромышленного изготовления. Условия
9
их применения, а также рекомендации по улучшению свойств защиты
были описаны в [17]. Электромагнитные, и особенно индукционные,
реле не могли обеспечить необходимые свойства защиты тяговых сетей
переменного тока, и уже с конца 60-х гг. они стали вытесняться, а вско-
ре и совсем были заменены комплектами полупроводниковых защит.
В эти годы Главное управление электрификации и электроснабже-
ния МПС под руководством С.М. Сердинова, ГВ. Дмитриевского при-
ступило к осуществлению технической политики интенсивного внедре-
ния систем автоматики и телеуправления в устройствах электроснабже-
ния тяги. Под руководством Н.Д. Сухопрудского (ВНИИЖТ) впервые в
мировой практике были разработаны электронные комплексы автома-
тики и телеуправления для систем электро- снабжения электрифициро-
ванных железных дорог и налажено их массовое производство [26]. На
этой же базе (СЕЙМА, МИАСС, ЛИСНА) под руководством В.Я. Овла-
сюка и при участии В.В. Белова, В.А. Быкова, В.А. Зимакова и др. на ос-
нове глубоких теоретических и экспериментальных исследований были
созданы типовые электронные защиты тяговых сетей переменного тока
(УЗТБ, УЭЗФТ, УЭЗФП, УЭЗФМ) с улучшенными свойствами и харак-
теристиками, серийно выпускавшиеся несколько десятилетий Московс-
ким электромеханическим заводом МПС (МЭЗ ЦЭ МПС). Были созда-
ны устройства фидерной автоматики, защиты фидеров постоянного тока,
защиты трансформаторов, преобразовательных агрегатов и др. [27, 28].
Идеи, принципы, технические решения, заложенные учеными в кон-
струкции этих устройств, намного опередили уровень техники того пе-
риода. Подтвержденные многолетней практикой применения, они ос-
таются актуальными и в настоящее время при переходе элементной базы
на микроэлектронику и микропроцессорные комплексы.
В Ростовском институте инженеров железнодорожного транспорта
(РИИЖТ-РГУПС), начиная с 60-х гг. XX в., под руководством автора
проводились работы по совершенствованию теории и практики защит
тяговых сетей, главным образом — переменного тока, повышению их
технического совершенства и созданию новых принципов функциони-
рования (Ю.И. Жарков, Е.А. Стороженко, Ю.В. Блинников, А.В. Ку-
харкин и др.). Оригинальные устройства с повышенным быстродействи-
ем и помехоустойчивостью, с поперечными логическими связями и ав-
томатизированным контролем исправности (ЭЗПС, БПЗ, БПЗк, ФСТКЗ,
УКЗН и др.) поставлялись на железные дороги страны [29]. В развитии
этого направления заметную роль играли специалисты Северо-Кавказ-
10
ской железной дороги (В.П. Кручинин, М.Е. Поляков, В.И. Грушевс-
кий, В.В. Курганов) и Проектно-конструкторское бюро Департамента
электрификации и электроснабжения МПС — ПКБ ЦЭ МПС (Я.Д. Гу-
ральник, В.И. Удод, В.М. Эрлих).
Интересные работы выполнялись в Омском (М.Г. Шалимов), Хаба-
ровском (Б.Е. Дынькин) и других вузах железнодорожного транспорта.
Теоретическим основам и практике релейной защиты участков элек-
троснабжения тяти посвящены обобщающие работы [25, 27—35].
В 90-х гг. XX в. за рубежом и в России стали появляться опытные партии
цифровых защит тяговых сетей постоянного и переменного тока с ис-
пользованием микропроцессорных терминалов [36, 37]. Такие термина-
лы осуществляют не только функции непосредственно релейной защи-
ты, но и функции автоматики, управления, сигнализации, контроля па-
раметров нагрузки, регистрации событий и аварийных процессов,
самодиагностики, связи, сервисные функции. Производство микропро-
цессорных комплексов «Орион», «Сириус» освоено научно-производ-
ственной фирмой «Радиус» (С.-Петербург). ОАО «АББ Реле-Чебоксары»
выпускает терминалы серии SPAC, Научно-технический центр «Механотро-
ника» (С.-Петербург) — серии БМРЗ. Цифровые защиты (интеллекту-
альные терминалы) для устройств электроснабжения железных дорог про-
изводятся НТЦ «Механотроника» и институтом НИИЭФА-ЭНЕРГО,
оригинальные разработки выполнены во ВНИИЖТе.
Релейная защита как объект с особо высокой надежностью должна
отвечать специальным нормативным требованиям. Эти требования со-
держатся в [38—49, 144—147]. Для релейной защиты тяговых сетей та-
кие требования изложены в [39, 40].
Целью подготовки студента по дисциплине «Релейная защита» яв-
ляется формирование у него знаний, умений и представлений в области
теории и практики применения релейной защиты, на основе которых
он сможет обеспечить ее проектирование, наладку и эксплуатацию в
электрических устройствах.
Ниже приведены принятые в книге сокращения, указаны условные
буквенные обозначения, используемые в электрических схемах Единой
системы конструкторской документации (ЕСКД), в таблице приведе-
ны условные графические обозначения программных элементов, ис-
пользуемых в функциональных схемах микропроцессорных модулей
защит.
11
Перечень принятых сокращений
АВР — автоматическое включение резерва;
АПВ — автоматическое повторное включение;
АСУ — автоматизированная система управления;
БАПВН — быстродействующее АПВ с контролем напряжения;
БЗА —- блок защит и автоматики;
БУ ~ блок управления;
ВВ — высоковольтный выключатель;
ВЛ — воздушная линия электропередачи;
ВЛ СЦБ — воздушная линия питания устройств сигнализации, цент-
рализации, блокировки и связи;
ДЗ — дистанционная защита;
ДПР — трехфазная воздушная линия продольного электроснабже-
ния «два провода — рельсы»
ДУ — дистанционное управление;
ЖКИ — жидкокристаллический индикатор;
33 — «земляная» защита, замыкание на землю;
ЗМН (ПЗ) — защита минимального напряжения, потенциальная защита;
ИТП — интеллектуальный терминал присоединения;
КА — коммутационный аппарат;
КЗ — короткое замыкание;
КЛ — кабельная линия электропередачи;
КРУ — комплектное распределительное устройство;
КРУН — комплектное распределительное устройство наружного ис-
полнения;
КС — контактная сеть;
ЛЗШ — логическая защита шин;
ЛР — линейный разъединитель;
ЛЭП — линия электропередачи;
МДС — магнитодвижущая сила;
МД TH — модуль датчиков тока и напряжения;
МКА — модуль контроллера автоматики;
МКЗ — модуль контроллера защит;
МП — модуль питания;
МТЗ — максимальная токовая защита;
МУ — местное управление;
НДЗ — направленная дистанционная защита;
ННДЗ — ненаправленная дистанционная защита;
12
НКУ — нормальные климатические условия;
033 — однофазное замыкание на землю в сети с изолированной
нейтралью;
ОКЦ — оперативный контроль цепей;
ОМП — определение места повреждения;
ОР — обходной разъединитель;
ПВ1 — плата ввода;
ПВ2 — плата вывода;
ПИ — плата индикации;
ППС — пункт параллельного соединения;
ПР — однофазная воздушная линия продольного электроснабжения
« провод—рельс ы»;
ПС — пост секционирования;
ПЭ — трехфазная линия для электроснабжения нетяговых потребителей;
ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина;
РЗА — релейная защита и автоматика;
РПВ — реле-повторитель включенного состояния;
РПН — регулирование под нагрузкой;
РПО — реле-повторитель отключенного состояния;
РТЗ — резервная токовая защита;
РУ — распределительное устройство;
ТО — токовая отсечка;
Т02 — токовая отсечка (по мгновенному значению тока);
ТП — тяговая подстанция;
ТСН — трансформатор собственных нужд;
ТСЦБ — трансформатор линии автоблокировки;
ТС — телесигнализация;
ТТНП — трансформатор тока нулевой последовательности;
ТУ — телеуправление;
УРО В — устройство резервирования отказов выключателя;
ФКС — фидер контактной сети;
ФННП — фильтр напряжений нулевой последовательности;
ФТНП — фильтр токов нулевой последовательности;
ЦЗА — цифровые защиты и автоматика;
ШВ — шина питания включающих катушек;
ЭДС — электродвижущая сила;
ЭППЗУ — электрически перепрограммируемое постоянное запоми-
нающее устройство;
ЭТС — электротяговая сеть.
13
Условные обозначения ЕСКД
Транзистор — VT
Резистор — R
Конденсатор — С
Диод (тиристор) — VD
Выпрямительный мост — VS
Генератор —- G
Трансформатор (автотрансформатор) — Т
Измерительные трансформаторы:
тока — ТА
напряжения ~ TV
Согласующий (промежуточный) трансформатор — TL
Согласующий (промежуточный) трансформатор тока — TLA
Согласующий (промежуточный) трансформатор напряжения — TLV
Трансрсакгор — TAV
Выключатель — Q
Разъединитель — QS
Отделитель — QR
Короткозамыкатель — QN
Электромагниты — YA:
включения — YAC
отключения — YAT
Контактор — КМ
Линия электропередачи, присоединение — L, w
Реле — К:
тока — КА
напряжения — KV
мощности — KW
тока с насыщающимся трансформатором — КАТ
тока с торможением — KAW
сопротивления — KZ
времени — КТ
промежуточное — KL
указательное — КН
газовое — KSG
частоты — KF
14
фильтр-реле:
— тока — KAZ
— напряжения — KVZ
— мощности—KWZ
блокировки — КВ
— от многократных включений — KBS
команды:
«Включить» — КСС
«Отключить» — КСТ
контроля — KS
— контроля цепи напряжения — KSV
— фиксации команды включения — KQQ
фиксации положения выключателя — KQ:
«Включено» — KQC
«Отключено» — KQT
Переключатель цепей управления — SA
Переключатель режима — SAC
Комплект реле защиты — АК:
устройство АПВ — AKS
устройство блокировки от качаний — АКВ
Кнопка управления — SB
Плавкий предохранитель — F
Разрядник — FV
Лампа сигнальная — HL:
красная — HLR
зеленая — HLG
Прибор измерительный — Р
Таблица
Условные графические обозначения
Микропроцессорный модуль Условное обозначение
Выделитель максимального или минимального действующе- го значения трехфазного напряжения или тока - селектор ——
Выделитель максимального значения - макси-селектор max
15
Окончание таблицы
16
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЕ
1.1. Назначение и структурные схемы релейной защиты
В системах электроснабжения нередко неожиданно возникают ко-
роткие замыкания (КЗ) и другие ненормальные режимы работы. Корот-
кое замыкание — это непредусмотренное нормальным режимом работы
электрическое соединение между собой каких-либо частей электроус-
тановок с различными потенциалами. КЗ может быть «металлическим»
(«глухим»), при котором сопротивление между замкнувшимися частя-
ми электроустановки пренебрежимо мало; оно может происходить че-
рез переходное сопротивление в месте повреждения изоляции и может
сопровождаться электрической дугой между этими частями. При КЗ токи
в ветвях электроустановки, примыкающих к месту его возникновения,
как правило, резко возрастают, превышая наибольший допустимый ток
продолжительного режима.
В установках переменного тока различают КЗ между фазами элект-
рической установки (междуфазное КЗ) и между фазой и землей (замы-
кание на землю 33). В трансформаторах и электрических машинах, кро-
ме того, возможны межвитковые замыкания в обмотке одной фазы.
В установках постоянного тока КЗ могут возникать при нарушении
изоляции между частями, присоединенными к разным полюсам. В элек-
тродвигателях возможны межвитковые замыкания и так называемый
круговой огонь по коллектору, т.е. замыкание между разнополярными
щетками через дугу, образующуюся на поверхности коллектора.
КЗ возникают вследствие дефектов, старения и загрязнения изоля-
ции токоведущих частей, обрыва и схлестывания проводов при силь-
ном ветре или гололеде, неисправности в цепях электроподвижного со-
става, ошибочных переключений и т.п. Электрическая дуга в месте за-
17
мыкания способна вызывать пережоги, оплавление и разрушения элек-
трического оборудования и распределительных устройств, отжиг и об-
рыв контактных проводов. Разрушения оказываются тем значительнее,
чем больше ток в дуге и время ее существования. Чтобы КЗ не вызвало
большого ущерба, поврежденное электрооборудование необходимо как
можно быстрее отключить.
К другим ненормальным режимам относят прежде всего перегрузки.
Этот режим характеризуется протеканием по неповрежденному обору-
дованию токов, превышающих длительно допустимое значение. Пере-
грузки опасны вследствие чрезмерного повышения температуры токо-
ведущих частей и преждевременного старения изоляции. Снижение или
увеличение напряжения относительно предельных нормативных зна-
чений и качания в энергосистеме также являются проявлением ненор-
мальных режимов.
Ненормальные режимы, как и КЗ, могут явиться причиной аварий,
те. порчи или разрушения оборудования, недоотпуска потребителям элек-
троэнергии. Чем быстрее отключается участок электрической системы,
на котором произошло КЗ или возник ненормальный режим работы, тем
меньше возможностей для возникновения и развития аварий. За доли
секунды необходимо выявить такой участок и отключить как можно мень-
шую часть электрической системы, чтобы обеспечить бесперебойное элек-
троснабжение максимально возможного числа потребителей.
Отключение электрической системы осуществляется коммутацион-
ными аппаратами — высоковольтными выключателями, привод кото-
рых снабжен специальным механизмом — электромагнитом отключе-
ния ЭО (YAT). Для отключения выключателя необходимо осуществить
управляющее воздействие на этот механизм. Автоматические устрой-
ства, служащие для выявления КЗ и ненормальных режимов и воздей-
ствующие в необходимых случаях на механизм отключения выключа-
теля или на сигнал, называют релейной защитой.
Релейная защита выполняется с помощью реле —автоматически дей-
ствующего аппарата, предназначенного производить скачкообразные
изменения в управляемых системах при заданном значении воздейству-
ющей на него величины. При этом под воздействующей понимается
величина, на которую должно реагировать реле (ток, напряжение, тем-
пература, поток газовых пузырей и т.д.).
Релейная защита (рис. 1.1) состоит из одного или нескольких изме-
рительных органов ИО1, ИО2, ..., логической части ЛЧ и выходного
18
органа ВО. Каждый измеритель-
ный орган содержит измеритель-
ные схемы ИС1, ИС2, ... и схе-
мы сравнения СС1, СС2 .... На
вход релейной защиты АК пода-
ются один или несколько сигна-
лов от трансформатора тока ТА
и трансформатора напряжения
TV, несущих информацию о ре-
жимах работы защищаемого
объекта. Измерительные органы
анализируют информацию о
входных величинах (значениях
тока, напряжения, их соотноше-
ния или фазового угла между
ними и т.д.) и при определенных
условиях формируют дискрет-
ный сигнал, поступающий на
вход логической части. В изме-
рительных органах могут быть
ЭО
Рис. 1.1. Структурная схема релейной
защиты
использованы реле тока, напряжения, сопротивления и др.
В логической части защиты выходные дискретные сигналы от всех
измерительных органов анализируются по определенной программе,
формируется выдержка времени защиты. Если выполняются заранее
заданные условия, то на выходе ЛЧ появляется дискретный сигнал, по-
ступающий на вход выходного органа ВО, в котором сигнал усиливает-
ся и поступает на катушку электромагнита отключения ЭО выключате-
ля Q. Информацию о срабатывании релейной защиты в целом и ее от-
дельных измерительных органов выдает блок сигнализации ВС.
Релейная защита является частью комплекса устройств автоматики
в системе электроснабжения железных дорог. Вместе с устройствами
автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического вклю-
чения резерва (АВР) релейная защита образует так называемую систе-
му противоаварийной автоматики.
Релейная защита, контролирующая состояние только одного объекта
и отключающая при аварийных режимах выключатель только данного
объекта, называется индивидуальной. Во многих случаях основные свой-
ства защиты (чувствительность, селективность, быстродействие) улучша-
19
a
Продольная
Рис. 1.2. Взаимные связи релейных
защит
ства автоматики выполнялись только
ются, если индивидуальные ус-
тройства взаимосвязаны.
Взаимная связь таких уст-
ройств может быть продольной
и поперечной. Продольная вза-
имная связь объединяет защиты
АК1 и АК2 (рис. 1.2, а) на раз-
ных концах (на входе и выходе)
одного объекта, например, ли-
нии. Взаимная связь, при кото-
рой объединяются защиты АК1
и АК2 разных объектов, присо-
единенных к общим шинам, на-
зывается поперечной (рис. 1.2, б).
До недавнего времени ре-
лейная защита и другие устрой-
на релейно-контактных элемен-
тах. В последние десятилетия широко начали применять электронные
устройства. Это повышает надежность защит, уменьшает их размеры,
собственное электропотребление и эксплуатационные расходы, а так-
же позволяет реализовать совершенно новые функциональные зависи-
мости. Применение полупроводниковой электроники дает возможность
выполнить релейную защиту вместе с другими устройствами автомати-
ки и телемеханики в виде единой системы, комплекса.
Применение микроэлектроники и микропроцессорных систем еще
больше повышает эффективность релейной защиты и автоматики, от-
крывает перспективы для передачи функций релейной защиты и авто-
матики специальным управляющим вычислительным машинам, кото-
рые будут управлять устройствами электроснабжения в нормальных и
аварийных режимах. В этой связи особое значение приобретает изуче-
ние алгоритмов (программ), которым должно подчиняться действие
релейной защиты вне зависимости от той элементной базы, на основе
которой она выполнена.
1.2. Основные виды релейной защиты
Наибольшее распространение получили токовые защиты. Для них
воздействующей величиной является ток, проходящий по токоведущим
20
частям электрической установки в месте включения защиты. Измери-
тельный орган защиты приходит в действие, если воздействующая ве-
личина (контролируемый ток) превысит заранее установленное значе-
ние, называемое уставкой.
В качестве первых токовых защит использовались плавкие предохра-
нители. Как наиболее простые и дешевые защитные аппараты, они на-
шли широкое распространение, главным образом, в сетях низкого на-
пряжения, а также в ряде случаев и для защиты коротких высоковольт-
ных линий электропередачи, трансформаторов, электродвигателей и
некоторых других установок небольшой мощности. Однако плавкие
предохранители обладают малой разрывной мощностью, их защитные
характеристики нестабильны, они не могут быть использованы для ус-
ловий автоматизированного управления (АПВ, АВР), так как после рас-
плавления плавкая вставка автоматически не восстанавливается.
Более совершенна защита, выполненная с помощью реле. Измери-
тельным органом токовой защиты является реле тока. Ток срабатыва-
ния реле (уставку) можно регулировать в широких пределах. Токовая
защита весьма эффективна в тех случаях, когда токи КЗ и ненормаль-
ных режимов существенно больше рабочих.
В системах постоянного и переменного токов защита контролирует,
как правило, полные токи цепей (фаз). В системах трехфазного пере-
менного тока измерительный орган в ряде случаев подключают через
фильтры симметричных составляющих тока, что повышает чувствитель-
ность защиты к таким видам коротких замыканий и ненормальных ре-
жимов, которые сопровождаются существенной несимметрией токов.
Защита, измерительный орган которой сравнивает значения или
фазы токов в разных концах защищаемого объекта или в параллельных
ветвях, присоединенных к общим шинам, называется дифференциаль-
ной токовой защитой. Если сравниваются токи разных концов защища-
емого объекта, например, линии (см. рис. 1.2, а), то дифференциальная
защита является продольной, если же сравниваются токи, например, па-
раллельных линий (см. рис. 1.2, б), то — поперечной. Для передачи в из-
мерительный орган информации о значениях и фазах сравниваемых
токов используют вспомогательные провода. Дифференциальные защи-
ты относятся к защитам с взаимной связью. Они обладают абсолютной
селективностью и являются быстродействующими.
Защиты, для которых воздействующей величиной является напря-
жение, называются защитами напряжения, вольтметровыми или потен-
21
циалъными. В качестве измерительного органа в них применяется реле
напряжения. В трехфазных системах такую защиту можно выполнить,
включая реле нс только на полные фазные и линейные напряжения, но
и на их симметричные составляющие. В последнем случае повышается
чувствительность к тем видам КЗ, которые сопровождаются существен-
ной нссиммстрией напряжений. Для этого реле напряжения включают
через фильтры симметричных составляющих напряжений.
В линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше, в контакт-
ных сетях переменного тока широко используют дистанционные защи-
ты. В качестве измерительного органа этих защит применяют реле со-
противления. К реле от трансформатора тока защищаемой линии под-
водится ток /р и от трансформатора напряжения — напряжение (/р. Реле
срабатывает, если сопротивление Zp на его зажимах (на входе) будет рав-
но или меньше наперед заданного значения Z^p, т.е. Zp < Д,р. При этом
под сопротивлением Zp понимают величину, которая определяется вы-
ражением
(1.1)
где ф — фазовый угол между ДиД..
Г Г' Г
Дистанционная защита в отличие, например, от токовой реагирует
не на один признак, а на три: ток, напряжение и фазовый угол между
ними. Такая защита более четко отличает ненормальные режимы от нор-
мальных и способна выявить КЗ даже в том случае, если ток КЗ меньше
тока нормального режима.
В защитах могут применяться реле, для которых воздействующей
величиной являются скачок или скорость изменения тока, или же от-
ношение скорости изменения тока к скорости изменения напряжения.
Такие реле называются импульсными, они реагируют на параметры пе-
реходного процесса КЗ. Некоторые из них используют в защитах тяго-
вых сетей постоянного тока. Кроме импульсных, в защитах тяговых сетей
постоянного и переменного токов возможно применение реле, реагирую-
щих на содержание высших гармоник в кривой тока или напряжения.
Скачки, скорости изменения токов и напряжений, содержание высших
гармоник относятся к так называемым косвенным признакам КЗ. Реле,
реагирующие на косвенные признаки, применяют в качестве дополни-
тельных органов в токовой и дистанционной защитах в тех случаях, когда
22
необходимо повысить способность защиты отличать короткое замыка-
ние от нормального режима работы.
В магистральных линиях электропередачи напряжением ПО кВ и
выше применяют высокочастотные защиты, которые осуществляют
сравнение значений или фазы токов, или же направлений мощности в
концах защищаемого участка линии. Передача информации о контро-
лируемой величине с одного конца линии на другой осуществляется с
помощью токов высокой частоты, причем в качестве канала связи ис-
пользуется, как правило, сама линия электропередачи.
В тяговых сетях получила распространение так называемая телебло-
кировка (устройство телсотключения), которая, как и высокочастотная
защита, относится к защитам с продольной взаимной связью. При сра-
батывании АК1 на одном конце линии и отключении, например, вык-
лючателя Q1 (см. рис. 1.2, а), на выключатель Q2, находящийся на дру-
гом конце линии, по каналам телемеханики подается команда на от-
ключение.
В релейной защите находят применение и такие измерительные орга-
ны, для которых воздействующая величина не является электрической.
Так, для трансформаторов используют газовую, а для преобразовательных
агрегатов тяговых подстанций — тепловую защиту. Измерительный орган
первой реагирует на интенсивность газообразования трансформаторно-
го масла, а второй — на температуру полупроводниковых приборов.
1.3. Основные требования, предъявляемые к защите
Назначение релейной защиты определяет ту особо ответственную
роль, которую она выполняет в устройствах электроснабжения. Поэто-
му ряд предъявляемых к ней требований регламентируется норматив-
ными документами и является обязательным для выполнения при ее
эксплуатации. Для защит общего назначения таким нормативным до-
кументом являются Правила устройства электроустановок (ПУЭ) [38].
Основные требования к специфическим защитам устройств электричес-
кой тяги изложены в [39, 40].
Основные требования к релейной защите связаны с ее функциями и
свойствами.
Функциями релейной защиты являются: срабатывание (выдача
команды на отключение) при КЗ в защищаемой зоне на контролируе-
мом объекте; несрабатывание при отсутствии КЗ в защищаемой
23
зоне; несрабатывание при КЗ за пределами зоны защиты. Дей-
ствия защиты, выполняемые в соответствии с указанными функциями,
являются верными.
Однако в силу тех или иных причин, например, отказов элементов
защиты, внешних электромагнитных помех и т.п., защита может дей-
ствовать неправильно (неверно): не сработать при КЗ в зоне защиты (от-
каз срабатывания), сработать при отсутствии повреждений на за-
щищаемом объекте (ложное срабатывание), сработать при КЗ
за пределами зоны защиты (излишнее срабатывание). Непра-
вильные действия защиты относятся к отказам ее функционирования, ко-
торые при КЗ приводят к тяжелым повреждениям электрооборудова-
ния, распределительных устройств, пережогу проводов контактной сети
и т.д., а при нормальных режимах работы защищаемого объекта влекут
за собой прекращение питания потребителей.
Для обеспечения правильного функционирования защита должна
обладать определенными свойствами: селективностью, быстродействи-
ем, устойчивостью и надежностью функционирования [16, 17, 24, 30].
Обобщенным показателем качества защиты является эффективность ее
функционирования.
Селективность (избирательность) защиты заключается в ее способ-
ности с заданным быстродействием отключать с помощью выключате-
лей только поврежденный элемент системы. Рассмотрим, например,
электрическую сеть, связывающую источник питания П1 с подстанци-
ями П2, ПЗ, П4 (рис. 1.3). На отдельных участках установлены выклю-
чатели QI, Q2,...,Q7, каждый из которых имеет самостоятельное устрой-
ство релейной защиты АК1, АК2,..., АК7. По принципу селективности,
если КЗ произошло в точке К2, должен отключиться выключатель Q4, а
при КЗ в точке КЗ — выключатель Q5. Селективность защиты обеспе-
Рис. 1.3. Схема электрической сети
24
чивает отключение минимально возможного участка и, следовательно,
сохранение нормального электроснабжения максимального числа по-
требителей.
Короткие замыкания в пределах защищаемой данной защитой зоны
называются внутренними, а за пределами этой зоны — внешними. Если
защита способна реагировать только на внутренние повреждения, то
ее селективность является абсолютной. Таким свойством обладают, на-
пример, продольные дифференциальные защиты и токовые отсечки.
В ряде случаев, однако, к защите предъявляется требование срабаты-
вать и при внешних КЗ, т.е. неселективно. Защита, которая селектив-
но срабатывает в обычных условиях только при внутренних КЗ, но
может при необходимости отключить и внешние КЗ, обладает отно-
сительной селективностью.
Защиты с относительной селективностью используются для резер-
вирования выключателей смежных участков. Так, в обычных условиях
выключатель Q3 (см. рис. 1.3) должен отключаться только при повреж-
дениях в зоне между подстанциями П2 и ПЗ, например в точке К1. Если
же этот выключатель отключится при КЗ в точке КЗ, то такое его дей-
ствие будет квалифицироваться как излишнее, неселективное, посколь-
ку при этом должен отключаться выключатель не Q3, a Q5. Однако если
выключатель Q5 при КЗ в точке КЗ почему-либо не отключился, то не-
обходимо отключать выключатель Q3. Для этого защита АКЗ должна
обладать свойством относительной селективности.
Относительная селективность обеспечивается, как правило, с помо-
щью выдержки времени. Например защита АК5, воздействующая на вык-
лючатель Q5, должна иметь выдержку времени больше, чем защиты АК6
и АК7, а защита АКЗ, воздействующая на выключатель Q3, — большую,
чем выдержка времени защит АК4 и АК5 и.т.д. В этом случае при КЗ,
например в точке КЗ быстрее всех сработает защита АК5 и отключит
выключатель Q5. Если же он почему-либо не отключился, то с выдерж-
кой времени защита АКЗ отключит выключатель Q3.
В ряде случаев допускается неселективное действие защит, напри-
мер одновременное отключение выключателей Q3 и Q4 при КЗ в точке
К2, если выключатель Q3 снабжен устройством АПВ. При этом несе-
лективное отключение выключателя Q3 «исправляется» АПВ, после чего
остается отключенным только выключатель Q4. К неселективным за-
щитам прибегают тогда, когда это обеспечивает более быструю ликви-
дацию повреждения или упрощение защит.
25
Селективность при внутренних КЗ характеризуется защитоспособ-
ностью и быстродействием. Защитоспособностъю называется свойство,
обеспечивающее способность защищать контролируемый объект при
всех видах КЗ. В ряде случаев, однако, защита может не реагировать на
некоторые КЗ. Часть контролируемой линии, в пределах которой дан-
ная защита не реагирует на КЗ, называется мертвой зоной. Мертвые зоны
перекрываются обычно резервными защитами.
Быстродействие защиты определяется необходимым временем от-
ключения короткого замыкания. Чем меньше время отключения по-
вреждения, тем:
• выше устойчивость параллельной работы генераторов электростан-
ций (нарушение синхронизма является наиболее тяжелой аварией в
энергосистеме);
• меньше разрушений изоляции, токоведущих частей, а также кон-
струкций электротехнических аппаратов, оборудования и сетей;
• меньше продолжительность снижения напряжения, отрицательно
влияющего на технологические процессы, работу электроподвижного
состава и условия безопасности (снижение напряжения, например в
высоковольтных линиях питания автоблокировки, может привести к
неверному действию или погасанию светофоров, а это связано с безо-
пасностью движения поездов);
• выше эффективность действия АПВ и АВР, так как чем меньше
время существования КЗ, тем меньше вероятность разрушения обору-
дования.
По этим причинам повреждения на линиях электропередачи необ-
ходимо отключать за время нс более чем: в сетях от 300 до 500 кВ — 0,1—
0,12 с, от ПО до 220 кВ — 0,15—0,3 с, от 6 до 10 кВ — 1,5—3 с. В тяговых
сетях чем больше длительность КЗ, тем больше вероятность пережога
контактных проводов. Пережоги не возникают, если время отключения
повреждения не превышает значений от 0,12 до 0,15 с.
Полное время отключения повреждения складывается из времен дей-
ствия защиты и выключателя. Быстродействующие выключатели посто-
янного тока, в конструкции которых выключатель и защита составляют
единое целое, имеют время отключения до погасания дуги между кон-
тактами от 0,02 до 0,085 с. Выключатели переменного тока отключают-
ся за время от 0,06 до 0,12 с.
Защиты, время действия которых не превышает 0,1 с, считаются бы-
стродействующими. У современных электронных защит время действия
составляет от 0,01 до 0,04 с. Технические средства позволяют снизить и
эти значения. Однако такие защиты очень чувствительны к помехам,
что может привести к недопустимо большому числу ложных отключе-
ний выключателей. Применение в релейных защитах помехоустойчи-
вых выходных органов с системой контроля позволяет избавиться от
этого недостатка.
Устойчивость функционирования защиты характеризуется чувстви-
тельностью к коротким замыканиям при внутренних КЗ, а также от-
строен ностью (нечувствительностью) при внешних КЗ и отстроеннос-
тью от нормальных режимов (при отсутствии КЗ). Рассмотрим, напри-
мер, токи через выключатель Q5 (см. рис. 1.3) в нормальном режиме и
при КЗ. Пусть, например, защита, воздействующая на выключатель,
реагирует на вектор тока линии.
Известно, что фазовый угол <рн тока в нормальном режиме не превы-
шает обычно 40°, а угол <рк при КЗ достигает 65—75°. Условимся, что в
комплексной плоскости токов (рис. 1.4) действительная ось совпадает с
осью активной составляющей тока, а мнимая — с осью реактивной со-
ставляющей. Вектор /н соответствует току через рассматриваемый вык-
лючатель в нормальном (рабочем) режиме, вектор /к — току в режиме КЗ.
На этой же комплексной плоскости приведен отрезок граничной линии
ab, которая разделяет области срабатывания (заштрихована) и несраба-
тывания. Если вектор тока линии в нормальном режиме или при КЗ по-
падет в заштрихованную область, защита сработает. Наименьший ток, со-
ответствующий данному фазовому
углу (рсз, при котором защита сраба-
тывает, называется током срабатыва-
ния защиты / При КЗ защита сра-
ботает, если /к > /сз к, где /сз к — ток
срабатывания защиты при <рсз = <рк.
В режиме перегрузки защита срабо-
тает, если /н > /сз н при <рсз = фн.
Чувствительность — это способ-
ность защиты реагировать на по-
вреждения в защищаемой зоне при
самых неблагоприятных условиях.
Чем дальше место повреждения от
источника питания, тем меньше ток
КЗ. Значение этого тока еще больше
Рис. 1.4. Комплексная плоскость
27
снижается, если энергосистема работает в минимальном режиме, а за-
мыкание произошло через переходное сопротивление электрической
дуги. В этих условиях ток удаленного КЗ может быть соизмерим с
током нормального режима и обеспечить чувствительность защиты до-
статочно трудно.
Чувствительность защиты характеризуют коэффициентом чувстви-
тельности 7^. Применительно к рассматриваемому случаю:
^ч Ac,min / ^сз,к‘ (1.2)
Защита будет срабатывать при КЗ, если >1.
В общем случае, если зашита реагирует на некоторую комплексную
величину А, которая в режиме малых нагрузок имеет значение в нор-
мальном рабочем режиме Ан, а в режиме короткого замыкания Ак, то
для обеспечения чувствительности к КЗ необходимо так выбрать пара-
метр срабатывания защиты А^, чтобы соблюдались условия:
/кч,
(р =(р
^сз тк,тт
—сз
~к,гтп
ср =ф
хсз ^к,тах
где — уставка защиты, реагирующей на величину Л, при фазовом угле <рсз;
Лк min — наименьшее значение контролируемой величины А при КЗ в кон-
це зоны защиты и угле фк
Лк тах — наибольшее значение контролируемой величины Л при КЗ в кон-
це зоны защиты и фазовом угле <рк тах.
Выражение (1.3) применяется для тех величин, которые при корот-
ком замыкании возрастают (например, ток КЗ больше тока при малых
нагрузках), поэтому условие (1.3) используется для защит, реагирующих
на ток. Выражение (1.4) применяется для тех контролируемых величин,
которые при коротком замыкании уменьшаются (например, напряже-
ние сети или ее входное сопротивление при КЗ меньше, чем в нормаль-
ном режиме), поэтому условие (1.4) используется для защит, реагирую-
щих на напряжение, входное сопротивление или другие признаки,
уменьшающиеся при КЗ. Коэффициент чувствительности для большин-
ства основных защит, реагирующих на ток, напряжение или сопротив-
ление, должен быть не ниже 1,5, а для некоторых, например продоль-
ных и поперечных дифференциальных защит, токовых отсечек генера-
торов и трансформаторов, — не менее 2, для резервных — более 1,25 [38].
*28
Эти значения определяются в основном наличием переходного сопротив-
ления в месте повреждения, которое в расчетах токов КЗ, как правило, не
учитывается, а также возможными неточностями настройки защиты.
Отстроенность защиты от внешних КЗ (от КЗ на внешних участках)
может быть обеспечена, если ее уставку выбрать по условиям:
Vw
—к,max >
ф =ф
^сз ^к,тах
(1.5)
= Ф
сз к,min
(1-6)
где ^£к,тах — наибольшее значение контролируемой величины А при КЗ в
начале смежного участка и угле фк, тах;
A K mjn — наименьшее значение контролируемой величины А при КЗ в на-
чале смежного участка и угле срк
^отс ~~ коэффициент отстройки.
Выражение (1.5) используется для тех контролируемых защитой ве-
личин А, которые при КЗ возрастают (например ток). Выражение (L6)
применяют при выборе уставки тех защит, которые реагируют на пара-
метр А, снижающийся при КЗ (например сопротивление).
Коэффициент отстройки учитывает погрешность реле и измеритель-
ных трансформаторов. Для защит, реагирующих на ток или напряже-
ние, принимают к^ равным 1,2—1,3, а для защит, реагирующих на со-
противление (дистанционные защиты), —1,1—1,15.
Вместо выражения (1.6) для дистанционных защит часто использу-
ют другую форму записи:
< к А
” ОТС —К, ПИП ’
= Ф
сз ^к,тш
(1-7)
в которой очевидно к' -1/к • Обычно для дистанционных защит
принимают к' равным 0,85—0,9.
В защитах от однофазных КЗ величины АК в формулах (1.3)—(1.7)
однозначно определяются параметрами этого КЗ. В защитах от много-
фазных КЗ А„ зависит от вида КЗ: для двухфазного КЗ А =А^, для
** к к.
трехфазного КЗ А = А^. В формулах (1.3)—(1.7) в качестве расчетно-
29
го принимают тот вид КЗ, при котором тах является наибольшим, а
min "" наименьшим. Например, при КЗ, расположенном близко от
электростанции (относительное сопротивление до расчетной точки КЗ
при базисных условиях) (У* < 0,6), установившееся значение тока двух-
фазно го КЗ № больше установившегося значения тока трехфазного КЗ
К
/3). В этом случае в формулах (1.3), (1.6) и (1.7) принимают А = , а
к к к
в формулах (1.4) и (1.5) — А& - А^. Если точка КЗ достаточно удалена от
подстанций (у* > 0 61, то . При этом в формулах (1.3), (1.6) и
\ рас ’ / к к
(1.7) А = А^, а в формулах (1.4) и (1.5) А = . Следует отметить, что
К к к к
при значительном удалении точки КЗ от электростанций (^ас^) имеет
место соотношение /(2) = >/3/(3)/2 = 0,866/(3).
К к к
Чтобы защита не срабатывала в режиме нормальной работы (при от-
сутствии КЗ) необходимо выполнить условия:
и max
(1-8)
ср =(р .
^сз тнпип
(1.9)
где Ли тах — максимальное значение контролируемой величины А с фазовым
углом фп тах в нормальном режиме;
Л}{ min наименьшее значение контролируемой величины А с фазовым уг-
лом срн rnin>
к3 — коэффициент запаса, равный 1,15—1,25;
къ — коэффициент возврата.
Выражение (1.8) используют в том случае, если контролируемый за-
щитой параметр А при КЗ возрастает (например ток). Выражение (1.9)
применяют для тех защит, которые контролируют параметр А, умень-
шающийся при КЗ (например напряжение, сопротивление).
30
Коэффициент возврата в выражениях (1.8) и (1.9) используется в тех
случаях, когда защита имеет выдержку времени. Он учитывает тот факт,
что возврат защиты в исходное состояние осуществляется при значении
контролируемой величины несколько отличающемся от ее значения
при срабатывании: = Лвз / Лсз. Значение коэффициента возврата ука-
зывается в паспорте используемых реле. Для защит, срабатывающих при
возрастании контролируемой величины, к^ <1 (обычно 0,8—0,9), а для
защит, срабатывающих при уменьшении, к^ > 1 (обычно 1,1—1,25). Если
защита не имеет выдержки времени, то принимают к^ = 1.
Надежность защиты определяется как ее способность выполнять
заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных
показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам
и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хра-
нения и транспортирования.
Для релейной защиты характерны два режима: дежурства (ожидания)
и тревоги. В режиме дежурства защита находится при нормальной ра-
боте защищаемого объекта, а также при тех повреждениях в защищае-
мой зоне и за ее пределами, при которых эта защита не должна выдавать
выходного сигнала на отключение выключателя. Режим тревоги соот-
ветствует появлению в защищаемой зоне тех видов повреждений, на
которые данная защита должна реагировать путем отключения выклю-
чателя. Иными словами, в релейную защиту в режиме тревоги поступа-
ет требование срабатывания, а в режиме дежурства — требование не-
срабатывания.
В общем случае, в каждом из режимов действие защиты может быть
верным или неверным. В режиме дежурства верное действие не сопро-
вождается отключением выключателя, а неверное действие приводит к
излишнему (неселекгивному) или ложному отключению. В режиме тре-
воги верное действие вызывает отключение выключателя, а неверное —
не вызывает. Таким образом, надежность функционирования релейной
защиты заключается в ее надежном срабатывании при поступлении тре-
бования срабатывания и надежном несрабатывании при поступлении
требования несрабатывания.
На релейную защиту постоянно воздействует множество случайных
факторов, каждый из которых может вызвать ее неверное действие (от-
каз). Эти факторы можно разделить на две группы. Факторы первой груп-
пы связаны с нарушением работоспособности собственно аппаратуры
релейной защиты, которая характеризуется аппаратурной (элементной)
31
надежностью. Ко второй группе относятся так называемые внешние
факторы, которые не зависят от показателей надежности самой аппара-
туры защиты: помехи в цепях измерительных трансформаторов, первич-
ных датчиках и источниках оперативного питания; срабатывание разряд-
ников на шинах и высоковольтных линиях при атмосферных и коммута-
ционных перенапряжениях; броски тока при АПВ; неверный выбор
уставки и т.п.
Надежность функционирования (эксплуатационная надежность) учи-
тывает обе группы событий и оценивается рядом показателей: вероятно-
стью безотказной работы, параметром потока отказов и др. Сущность по-
казателей надежности и их оценка рассматриваются в гл. 12 и [17, 50].
Для повышения надежности функционирования важное значение
имеют правильная эксплуатация и своевременная ревизия защиты.
Повышение надежности АК в режиме тревоги достигается также пу-
тем резервирования и дублирования защит. Различают основные и ре-
зервные защиты.
Основная защита реагирует на повреждения в пределах данной за-
щищаемой зоны или защищаемого элемента со временем, меньшим, чем
другие защиты рассматриваемой системы электроснабжения. Резервная
защита должна реагировать на повреждения вместо основной, если пос-
ледняя неисправна или выведена из работы. Резервная защита, установ-
ленная совместно с основной и воздействующая на тот же выключа-
тель, осуществляет так называемое ближнее резервирование, или дубли-
рование. Резервная защита, отключающая данный выключатель при
внешнем повреждении (при повреждении на смежном элементе), если
защита или выключатель смежного элемента отказали, осуществляет
дальнее резервирование. Так, при относительной селективности защиты
АКЗ, воздействующей на выключатель Q3 (см. рис. 1.3), эта защита яв-
ляется основной для зоны между подстанциями П2—ПЗ и резервной
для зоны между подстанциями ПЗ—П4, а также для выключателя Q4 и
подключенной к нему линии.
В ряде случаев используются защиты, выполняющие некоторые вспо-
могательные функции, например, повышение надежности отключения
повреждений в начале линии, ускорение отключения КЗ на части уча-
стка, защиту «мертвых зон» и т.п. Такие защиты относятся к дополни-
тельным.
Более подробная классификация требований, предъявляемых к ре-
лейным защитам, приведена в [17].
32
1.4. Эффективность функционирования защит
Любой защищаемый объект может быть оборудован различными ус-
тройствами релейной защиты и их комплексами, отвечающими в той
или иной степени основным требованиям. Для сравнения защит необ-
ходимо оценить качество функционирования каждой из них.
Неверные действия защиты в режиме тревоги и дежурства приводят
к соответствующему ущербу (развитие аварии, недоотпуск электроэнер-
гии и т.п.). Верные действия в режиме тревоги также могут быть причи-
ной появления ущерба (например, пережог проводов при слишком боль-
шом времени отключения повреждения резервной защитой из-за отка-
за основной защиты). При данном числе верных и неверных действий
суммарный ущерб, обусловленный ненадежностью функционирования
защиты, целиком зависит от того объекта, который она защищает. На-
пример, одно неверное действие защиты на ответственном объекте мо-
жет принести значительно больший ущерб, чем несколько неверных
действий за то же время менее надежной защиты малоответственного
потребителя. Поэтому полную оценку качества функционирования сле-
дует давать применительно к конкретному защищаемому объекту при
данных условиях эксплуатации.
Обобщенным показателем качества функционирования является
эффективность функционирования:
£= Р/П=(П—У)/П, (1.10)
где Р — реальный выходной эффект защищаемого объекта за данное время
(объем продукции, перевозок, отпуск электроэнергии и т.п.);
П — предельный выходной эффект того же объекта в предположении, что
из-за действий защиты ущерба не возникает;
У — суммарный ущерб, обусловленный действием защиты за то же время.
Если значение У определить трудно, то приближенная оценка каче-
ства функционирования Е^ определяется по соотношению верных и
неверных действий защиты. Предельный эффект защиты в этом случае
оценивают числом повреждений лпов, которые защита должна отключить
за данное время, а вместо суммарного ущерба принимают приведенное
число неверных действий защиты Пу, при которых появляется ущерб.
Число повреждений (требований срабатывания)
п -п +п ,
пов пс ос ’
где /1пс — число правильных срабатываний;
«ос - число отказов срабатывания защиты.
33
Приведенное число неверных действий защиты, сопровождающих-
ся ущербом, определяют как
П -п + Е П + Е Л +Е П
у ОС ПС у,ПС ИС у,ис лс у,лс’
где «у пс, Яу ИС, лу лс — число действий защиты, вызвавших появление ущерба
соответственно при правильных срабатываниях, излишних срабатываниях (т.е.
при КЗ за пределами защищаемого объекта или защищаемой зоны) и при лож-
ных срабатываниях (те. при отсутствии повреждений);
епс, еис’ Елс ~~ коэффициенты значимости ущербов соответственно при пра-
вильном срабатывании, при излишнем срабатывании и при ложном срабаты-
вании защиты.
Коэффициент значимости ущерба при данном конкретном действии
защиты определяется как отношение среднего значения ущерба при этом
действии к среднему значению ущерба при отказе срабатывания.
Тогда
П -П П “Е п -е п п
пов У _ пс пс у,пс ис у,ИС лс у,лс
п п +п
ПОВ ПС ОС
(1.11)
Еще более приближенная оценка качества функционирования К —
процент правильной работы. Он используется в тех случаях, когда неиз-
вестно число действий защиты, сопровождающихся ущербом, %:
100л
пс
л
пс
ос
! + Л
ИС лс
(1.12)
где лис — число излишних срабатываний;
ллс — число ложных срабатываний.
Процент правильной работы в настоящее время является основным
показателем качества защиты. Его называют также коэффициентом
эффективности функционирования при условии, что последствия от-
казов разного рода принимаются одинаковыми. Значения А" для разных
защит различных объектов изменяются в пределах от 67 до 98 % [50].
Дополнительными показателями могут служить периодичность или ча-
стота неправильных и правильных срабатываний. Качество функциони-
рования защиты тем выше, чем больше величины Е, Е\ и К. Их предель-
ные значения равны единице или 100 %. Показатели качества функци-
онирования могут быть определены для действующих защит по
статистическим данным. Для проектируемых к установке защит необ-
ходим прогноз верных и неверных действий [29].
34
Глава 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ
ОПЕРАТИВНОГО ПИТАНИЯ
2.1. Измерительные преобразователи постоянного тока
Устройства релейной защиты и измерительные приборы рассчита-
ны на сравнительно малые токи (доли ампер) и небольшие напряжения
(единицы или десятки вольт). При этих условиях они могут быть вы-
полнены достаточно компактными и недорогими.
Устройства же системы электроснабжения, исправность которых
контролирует релейная защита, могут потреблять значительные токи и
быть высоковольтными. Например, по контактной сети постоянного
тока с напряжением 3000 В в нормальном режиме протекают токи от 2
до 4 кА, а при коротком замыкании — до 20 кА. Согласование высоко-
вольтных и многоамперных установок с низковольтными и малоампер-
ными устройствами защиты осуществляется при помощи измеритель-
ных преобразователей.
Измерительный преобразователь — это техническое устройство, обес-
печивающее функциональную зависимость между размерами одной
(входной) и другой (выходной) физических величин. Как правило, стре-
мятся иметь линейную функциональную зависимость, т.е. прямую про-
порциональность между изменением входной величины и соответству-
ющим приращением выходной величины преобразователя.
В установках постоянного тока наибольшее распространение получи-
ли измерительные преобразователи в виде шунтов, добавочных сопро-
тивлений и делителей напряжения; ограниченно применяются пока еще
гальваномагнитные преобразователи. Незначительное распространение
имеют преобразователи на основе магнитных усилителей [51] из-за гро-
моздкости, невысокого класса точности и большой инерционности.
Шунт RS является простейшим измерительным преобразователем
тока в падение напряжения (рис. 2.1). Он включается в рассечку линии
(например высоковольтного фидера контактной сети, питающегося от
35
Рис. 2.1. Подключение шунта
шин подстанции через выключатель
QF), в которой необходимо контроли-
ровать величину тока L Шунт RS име-
ет четыре зажима. Токовыми зажима-
ми АА он включается в цепь измеряе-
мого тока I. К его потенциальным
зажимам UU подключается нагрузка с
сопротивлением R^. В качестве такой
нагрузки может использоваться изме-
рительный прибор или входная цепь
реле защиты.
Падение напряжения Um на шунте
RS между зажимами UU равно произ-
ведению /н Ли (в сопротивление 7^ входит и сопротивление соедини-
тельных проводов). Эта же величина может быть найдена как про-
изведение /ш Яш, где /ш — ток в шунте между зажимами UU, a —
сопротивление шунта между этими зажимами. Для цепи, показанной
на рис. 2.1, имеем:
Цд Аи Ач Ан Аг
Отсюда следует
(2.1)
где — коэффициент деления (шунтирования), показывающий, во сколько
раз ток в нагрузке меньше тока в контролируемой цепи.
Сопротивление нагрузки 7?н, подключаемой к шунту, стремятся сде-
лать как можно больше. При этом уменьшаются потери мощности в
шунте и его габариты. Если сопротивление нагрузки на несколько по-
рядков превышает сопротивление шунта, то шунт в этом случае выпол-
няет роль преобразователя тока I в пропорциональное ему напряжение
на зажимах UU: 6ГШ = IRnv которое при данном условии практически не
будет зависеть от тока и сопротивления цепи нагрузки.
Шунты изготовляются из манганиновых пластин, впаянных в мас-
сивные наконечники из красной меди. Они калибруются по току и па-
дению напряжения. При номинальном токе падение напряжения на
потенциальных зажимах шунта имеет номинальное значение (45, 60, 75,
100 и 300 мВ) и класс точности (0,05; 0,1; 0,2; 0,5), при этом численное
36
обозначение класса точности показывает допустимое отклонение сопро-
тивления в процентах от его номинального значения.
Добавочные сопротивления являются измерительными преобразова-
телями напряжения в ток. На рис. 2.2, а показана схема подключения
реле К с сопротивлением к плюсовой шине (например тяговой под-
станции) с напряжением Uчерез цепочку последовательно соединен-
ных добавочных резисторов с суммарным сопротивлением 7?д. Ток в реле
Z = U/(Ад + -Яр) пропорционален напряжению на шинах U, а коэффи-
циент преобразования равен n = R^+R^, В/A. Срабатывание реле про-
исходит при токе 7р = /ср. Если это срабатывание должно соответство-
вать уровню напряжения на шинах £7=t/', то величина сопротивления
Rn должна быть равна:
R
д
(2.2)
Если в качестве реле К используется реле напряжения с напряжени-
ем срабатывания U = I
ср ср
то величину добавочного сопротивления
определяют по формуле
Делители напряжения предназ-
начены для уменьшения напряже-
ния в определенное число раз. При
постоянном токе они выполняют-
ся в виде цепочки последовательно
соединенных резисторов, к одному
из которых параллельно присоеди-
няется входная цепь защиты. Такая
схема подключения показана на
рис. 2.2, б, в которой входная цепь
защиты представлена в виде опера-
ционного усилителя А, подключен-
Рис. 2.2. Схемы подключения доба-
вочных сопротивлений (а) и делителя
напряжения (б)
р
ного к резистору с сопротивлением Л2. Входное сопротивление цепи за-
щиты обозначим R^. Тогда имеем:
Vh
I z, n
где п — коэффициент деления, равный
Л J ! R1
(2.4)
Если входное сопротивление цепи защиты на несколько поряд-
ков больше, чем сопротивление Л2,то можно принять = О* В этом
случае коэффициент деления
т.е, практически не зависит от сопротивления нагрузки.
Резисторы добавочных сопротивлений и делителей напряжения изго-
тавливают из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на
специальные каркасы из изоляционного материала, или из литого мик-
ропровода в стеклянной изоляции с допустимым током от 0,01 до 60 мА.
Как и шунты, эти резисторы делятся на классы точности. Для устройств
защиты используются классы точности 0,2; 0,5; 1,0.
Гальваномагнитные преобразователи основаны на использовании так
называемых гальваномагнитных явлений, которые возникают для неко-
торых материалов, если их поместить в магнитное поле [52]. К гальвано-
магнитным явлениям относятся, в частности, эффекты Холла и Гаусса.
Эффект Холла заключается в возникновении ЭД С Ех на боко-
вых гранях полупроводниковой пластины ПХ, по которой протекает ток
/у, если пластину поместить в магнитное поле с индукцией В (рис. 2.3).
Величина £х достаточно мала (единицы и десятки мВ), поэтому к выхо-
ду преобразователя Холла ПХ подключают усилитель А, входное сопро-
тивление которого на несколько порядков больше, чем выходное со-
противление преобразователя. Измерительные приборы или входные
цепи защиты подключают к выходу этого усилителя.
Мгновенное значение ЭДС Хол-
ла определяется выражением [53]:
R
ех cosa, (2.5)
где Я* — коэффициент (постоянная)
Холла, зависящий от материала и гео-
метрических размеров полупроводни-
ковой пластины, В-м / (Тл-А);
d — толщина полупроводниковой
Рис. 2.3. Преобразователь Холла
пластины, м;
В — магнитная индукция, Тл;
/у — ток управления, А;
a — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости
полупроводниковой пластины.
При использовании преобразователя Холла в качестве датчика тока
или напряжения принимают специальные меры для стабилизации ве-
личины тока управления 1у на уровне, равном, как правило, номиналь-
ному значению Выведем в отдельный сомножитель постоян-
у ун
ные величины, входящие в выражение (2.5): 5в = * Величина
5В носит название чувствительности преобразователя и для разных ти-
пов преобразователей составляет 0,03—1,0 В/Тл. Тогда для мгновенного
значения ЭДС Холла вместо (2.5) можно использовать формулу:
е =S 2?cosa. (2.6)
х в
Использование гальваномагнитных преобразователей для измерения
величины тока основано на законе полного тока:
=1.
где Н — вектор напряженности магнитного поля, А/м;
/ — длина замкнутого контура интегрирования, м.
Если контур интегрирования проходит через ненамагничивающую
среду, то можно пользоваться уравнением:
I
где В — вектор магнитной индукции, Тл;
— магнитная постоянная (4л-10-7 Гн/м).
39
Рис. 2.4. Бесконтактные преобразовате-
ли тока
В приборах с немагнитным
интегрирующим контуром ис-
пользуется п преобразователей
Холла (ПХ1, ПХ2, ... ПХ/, ...
ПХл), расположенных равно-
мерно по окружности вокруг
проводника Ш с током /, кото-
рый надо измерить (рис. 2.4, а).
Преобразователи размеща-
ются радиально на ферромаг-
нитных подложках между на-
ружной КН и внутренней КВ поверхностями цилиндрического корпуса
из немагнитного материала. На выходной усилитель А (см. рис. 2.3) по-
дается сумма ЭДС всех преобразователей. Для такого устройства спра-
ведливо приближенное уравнение:
(Яcosa. + ... + 5.cosa. + ... + Я cosa )/ = цл7, (2.7)
1 1 i i n n' n ^0 v 7
где Bi — магнитная индукция в месте расположения преобразователя ПХ/;
az- — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости /-го
преобразователя;
1п — расстояние между соседними преобразователями.
Умножим правую и левую части выражения (2.7) на чувствительность
5В, которую для всех ПХ принимаем одинаковой. Тогда с учетом выра-
жения (2.6) получим
(2.8)
откуда следует, что сумма ЭДС преобразователей Холла в устройстве,
приведенном на рис. 2.4, а, пропорциональна току /в шине Ш.
Бесконтактные измерители тока такого типа выпускаются для изме-
рения токов до 18 000 А в цепях с напряжением до 9000 В. Погрешность
измерений для разных типов составляет от 1 до 3—5 %.
Для снижения погрешностей от несимметричного расположения
шины Ш в окне корпуса КВ и влияния внешних магнитных полей, а
также повышения чувствительности используют ферромагнитный ин-
тегрирующий контур. Устройство бесконтактного преобразователя тока
с таким контуром показано на рис. 2.4, б, в котором преобразователи
40
Холла ПХ1 и ПХ2 расположены в воздушных зазорах магнитопровода
М, охватывающего шину Ш с измеряемым током. О величине тока в
шине Ш судят по сумме ЭДС преобразователей ПХ1 и ПХ2.
Если магнитопровод М (см. рис. 2.4, б) содержит п участков и имеет
т зазоров, то на основании закона полного тока можно составить при-
ближенное уравнение:
(2.9)
где Нж у — среднее значение напряженности магнитного поля в z-м ферромаг-
нитном участке магнитопровода;
Н3 к — среднее значение напряженности магнитного поля в к-м зазоре;
Zw L I, — длина соответственно f-го ферромагнитного участка и к-го зазора.
Будем иметь в виду, что если умножить напряженность магнитного
поля Н3 к в fc-м зазоре на магнитную постоянную ц0, то получим значе-
ние магнитной индукции В3 к в этом зазоре. А если теперь умножить В3 к
на чувствительность 5В преобразователя Холла, размещенного в этом за-
зоре, то получим значение ЭДС Холла на выводах этого преобразователя,
определяемую выражением (2.6). Преобразователь размещается в зазоре
так, чтобы соблюдалось условие а = О, тогда ехк- SBB3 к = Ио^в^з Аг
Умножим правую и левую части выражения (2.9) на ц05в и будем счи-
тать, что все зазоры имеют одинаковую длину /3 к = /3. Тогда получим
после простейших преобразований
(2.10)
Отсюда следует, что сумма ЭДС преобразователей Холла, размещен-
ных в зазорах магнитопровода М (см. рис. 2.4, б), будет пропорциональ-
на току в том случае, если сомножитель выражения (2.10), заключен-
ный в скобки, весьма мало отличается от единицы. Это условие и опре-
деляет требования к материалу и конструкции магнитопровода, который
выполняется, как правило, из кремнистой холоднокатаной электротехни-
ческой стали. Погрешность от преобразования тока в магнитную индукцию
(которую и измеряет преобразователь Холла) определяется гистерезисом и
нелинейностью основной кривой намагничивания магнитопровода. Сече-
ние магнитопровода выбирается из условия, чтобы при самых больших зна-
41
чениях измеряемого тока ни один из его участков не насыщался. По-
этому масса магнитопровода оказывается достаточно большой и такие
устройства имеют габариты существенно больше, чем устройства, по-
казанные на рис. 2.4, а.
Эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект заключается
в изменении сопротивления полупроводникового элемента под воздей-
ствием магнитного поля. К магниторезистивным преобразователям от-
носятся магнитодиоды и магниторезисторы [54]. Метрологические ха-
рактеристики (нелинейность, разброс, температурная зависимость) маг-
ниторезисторов и магнитодиодов пока невысока, что препятствует их
применению в качестве измерительных преобразователей.
Болес благоприятны свойства магнитотранзисторов, выполненных
по стандартной технологии для полевых транзисторов. Это позволило
использовать их пока еще в отдельных преобразователях тока в напря-
жение для устройств релейной защиты [55]. Конструкция такого преоб-
разователя сходна с приведенной на рис. 2.4, а. Ось магнитной чувстви-
тельности магнитотранзистора расположена параллельно по отношению
к поверхности кремниевой пластины (вдоль р-п переходов). Поэтому,
если поверхность пластины преобразователя Холла располагается пер-
пендикулярно магнитному потоку, то магнитотранзистор располагает-
ся вдоль него. Для цепей релейной защиты вокруг проводника с током
должно быть расположено не менее 12 магнитотранзисторов. Их чув-
ствительность к магнитной индукции примерно на два порядка выше,
чем у преобразователей Холла, а линейность обеспечивается в диапазо-
не от 10 мкТл до 2 Тл. Опытные экземпляры изготовлялись в расчете на
ток 1, 4 и 10 кА для установок с напряжением соответственно 0,4; 0,66 и
20 кВ. Погрешности преобразователей соответствуют классу точности 1.
2.2. Гальваническая развязка измерительных
преобразователей
Нагрузка с сопротивлением R^v подключенная к шунту RS (см. рис. 2.1),
находится по отношению к земле под тем же потенциалом, что и шунт.
В высоковольтных установках постоянного тока измерительные цепи и цепи
релейной защиты, подключенные к шунтам, добавочным сопротивлениям
и делителям, должны иметь изоляцию на рабочее напряжение установки.
Исполнительные органы релейной защиты выполняются, как пра-
вило, в виде низковольтных электрических аппаратов и исполнитель-
42
ных цепей. При этом высоковольтные и низковольтные цепи должны
быть для безопасности не связаны. Устройство, которое способно пере-
давать энергию или информацию из одной цепи в другую, электричес-
ки с ней не связанную, называется гальванической развязкой. В цепях
переменного тока гальваническая развязка осуществляется с помощью
трансформатора. Для цепей любого рода тока могут использоваться оп-
тические, высокочастотные, ультразвуковые устройства гальванической
развязки. На рис. 2.5 приведен пример использования оптической раз-
вязки для передачи информации о величине падения напряжения на
резисторе R из цепи высокого напряжения постоянного тока в цепь низ-
кого напряжения. В качестве такого резистора может выступать шунт
или часть делителя напряжения высоковольтной установки.
Падение напряжения на резисторе R поступает на вход усилителя А,
к выходу которого подключен преобразователь напряжения в частоту
UZ1. На выходе преобразователя формируются прямоугольные импуль-
сы постоянной ширины и амплитуды, частота которых прямо пропор-
циональна величине постоянного напряжения на входе. К преобразо-
вателю UZ1 подключен излучающий светодиод VD1. Импульсы света,
излучаемые этим светодиодом, попадают на фотодиод VD2 и преобра-
зуются им в электрические импульсы с постоянной шириной и ампли-
тудой, частота которых равна частоте импульсов светодиода VD1. Пре-
образователь UZ2 преобразует эту частоту электрических импульсов в
прямо пропорциональную ей величину постоянного тока (или напря-
жения), которая поступает на вход устройства релейной защиты АК. Та-
ким образом сигнал на входе устройства АК оказывается прямо про-
порциональным падению напряжения на резисторе R. В общем случае
к устройству АК могут поступать полученные таким же образом сигна-
лы от других шунтов или резисторов.
Гальваническая развязка на рис. 2.5 обеспечивается за счет того, что
информация о падении напряжения на резисторе R в высоковольтной
цепи передается в низковольтную цепь по воздуху.
Рис. 2.5. Устройство с оптической развязкой
43
Усилитель А и преобразователь UZ1 нуждаются в источниках пита-
ния. Поскольку эти приборы находятся в распределительном устрой-
стве высокого напряжения, то источник питания в свою очередь не дол-
жен иметь гальванической связи с цепями оперативного питания низ-
кого напряжения. В качестве такого источника в принципе могут
применяться аккумуляторы и гальванические элементы, однако в ста-
ционарных установках, как правило, их не используют из-за необходи-
мости постоянного контроля напряжения, частой замены или подза-
рядки. При отсутствии постоянного дежурного персонала это вызывает
неоправданное усложнение условий эксплуатации.
Обычно используют источники с разделительным трансформатором.
Приведенный на рис. 2.6, а источник подключается через разделитель-
ный трансформатор Т к цепям оперативного питания низкого напря-
жения, например 220 В. К вторичной обмотке трансформатора присое-
динен выпрямитель UZ, на выходе которого получают двуполярное по-
стоянное напряжение, необходимое для операционных усилителей,
например ±12 В. Вариант источника, показанный на рис. 2.6, б, не име-
ет связи с цепями оперативного тока. К шине + Uвысокого напряжения
подключена цепочка RP добавочных сопротивлений, последовательно
с которыми включен стабилитрон VD. Параллельно ему подключен
инвертор UZ 1, преобразующий постоянное падение напряжения на ста-
билитроне в переменное, нагруженный на разделительный трансфор-
матор Т. Ко вторичной обмотке трансформатора подключен двуполяр-
ный выпрямитель UZ2. Гальваническая развязка в обоих случаях осу-
ществляется при помощи трансформатора Т, изоляция между первичной
и вторичной обмотками которого должна быть рассчитана на номиналь-
ное напряжение высоковольтного распределительного устройства.
Рис. 2.6. Гальванически развязанные источники питания
44
2.3. Виды измерительных преобразователей
переменного тока
Измерительные преобразователи тока и напряжения используются
в релейной защите в качестве источников (датчиков) информации о ре-
жимах работы защищаемого объекта. В установках переменного тока в
качестве таких преобразователей широко применяются измерительные
трансформаторы тока и напряжения [16, 17, 56, 57]. Номинальный вто-
ричный ток для трансформаторов тока (ТТ) равен 5 или 1 А, номиналь-
ное вторичное напряжение трансформаторов напряжения (TH) состав-
ляет 100 В.
Как правило, релейная защита присоединяется к тем же трансфор-
маторам тока или напряжения, к которым подключены измерительные
приборы. Для измерительных приборов важна точность преобразова-
ний, осуществляемых трансформаторами при нормальных нагрузках, а
для релейной защиты — при коротких замыканиях, когда токи могут
быть значительно больше, чем в нормальном режиме, а напряжения —
меньше. Снижение напряжения не приводит к возрастанию погрешно-
сти TH, а увеличение тока вызывает увеличение погрешности ТТ. По-
этому выбранные для целей измерения трансформаторы тока, если к
ним подключаются реле, необходимо проверять по допустимой погреш-
ности в режиме короткого замыкания.
В качестве преобразователей тока для релейной защиты в ряде слу-
чаев используют так называемые трансреакторы. Если трансформато-
ры тока преобразуют первичный ток в пропорциональный ему вторич-
ный ток, то трансреакторы преобразуют первичный ток в пропорцио-
нальную ему вторичную ЭДС. Трансреакторы работают в режиме,
близком к холостому ходу, их сердечник имеет немагнитный зазор. Угол
между первичным током и вторичной ЭДС близок к 90°.
Трансформаторы тока и трансреакторы для установок с напряжени-
ем 500 кВ и выше достаточно сложны по конструкции и имеют значи-
тельные погрешности. При таких высоких напряжениях целесообразно
использовать преобразователи токов, основанные на других принципах.
К ним относятся «магнитные» трансформаторы тока, использующие
индуктивную связь между первичными и вторичными цепями, а также
устройства с иными видами связи [56—58].
«Магнитный» трансформатор тока имеет П-образный ферромагнит-
ный сердечник, на котором размещены вторичные обмотки. Его уста-
45
навливают под проводом той фазы, ток в которой необходимо контро-
лировать. Магнитный поток, создаваемый током фазы, индуктирует во
вторичных обмотках пропорциональную току ЭДС, которая и исполь-
зуется для входных цепей защиты. Принимаются специальные меры для
уменьшения влияния магнитных потоков других фаз. Такие преобразо-
ватели просты, экономичны, однако мощность, которую они могут от-
давать во вторичную обмотку, очень мала.
Кроме того, в преобразователях первичного тока во вторичный возмож-
но использовать радио- и оптические каналы связи. При этом измеряемый
ток преобразуется в радио- или световой сигнал и передается в приемник,
находящийся под потенциалом земли. Приемник преобразует этот сигнал
в электрический, используемый для входных цепей защиты.
2.4. Условия работы и схемы включения
трансформаторов тока
Условия работы. Рассмотрим принципиальную схему трансформатора
тока и его схему замещения (рис. 2.7, а, б). Первичная обмотка с числом
витков W] включена последовательно в цепь контролируемого тока К
вторичной обмотке с числом витков и>2 подключено сопротивление на-
грузки — сумма сопротивлений последовательно включенных обмо-
ток реле, измерительных приборов и соединительных проводов. Соглас-
но закону полного тока
-1^1 ~-2^2 ~ц’ (2-11)
где Гц, /ц — соответственно результирующая магнитодвижущая сила (МДС) и
намагничивающий ток.
Разделим выражение (2.11) на w2:
-72 = / w /w ; /'=I2+r (2.12)
1 р.
где* I ~ w / w — 7 и w I vv .
где L 1 ’ — у -Hr 2
Последнему выражению соответствует схема замещения, изображен-
ная на рис. 2.7, б, в которой сопротивления первичной обмотки Z' и
ветви намагничивания Z' приведены ко вторичной обмотке.
46
а б
Рис. 2.7. Трансформатор тока
На основании схемы замещения построена векторная диаграмма
(рис. 2.8), в которой учтено, что сопротивление Z' не влияет на распре-
деление тока /'j между ветвями Z' и Ток намагничивания со-
здает результирующий магнитный поток Ф, который отстает от него на
угол у из-за потерь в стали. Магнитный поток Ф наводит ЭДС £2. При-
мем, что положительное направление совпадает с положительным
направлением тока /2 (от конца к началу обмотки w2). Тогда вектор £2
опережает вектор Ф на угол 90°. Ток 12 отстает от ЭДС £2 на некоторый
угол у, определяемый соотношением активной и реактивной составля-
ющих сопротивлений и ZH. Ток находят по (2.12).
Из векторной диаграммы видно, что вторичный ток отличается от
приведенного первичного по абсолютному
значению на токовую погрешность
Д/ = Г -I и по фазе на угловую погреш-
X £*
ностъ 8. Относительная токовая погреш-
ность трансформатора, %:
/. = ^1-100 =-1—2-100=-J---2—400,
' I Г I
1 1 'i
(2.13)
где ~~ витковый коэффициент транс-
формации трансформатора тока.
Полная погрешность е трансформатора
тока определяется по формуле, %:
Рис. 2.8. Векторная диаг-
рамма трансформатора тока
47
100
(2.14)
где q, /2 ~ мгновенные значения соответственно первичного и вторичного токов;
Т — период тока.
Величина, находящаяся под знаком радикала, есть не что иное, как
квадрат действующего значения тока намагничивания, поэтому
е = (/ //.)100%. (2.15)
н *
Идеальной трансформации, когда между первичным и вторичным
токами сохраняется пропорциональность, соответствует условие Z^ = 0.
При этом Z2 = Awl/w2 ~ ЦК? ^ем меньше сопротивление по срав-
нению с Z тем меньше и тем ближе условия трансформации к иде-
альным. Следовательно, нормальным для трансформатора тока являет-
ся режим работы с малым сопротивлением вторичной цепи, т.е. режим
короткого замыкания. При этом не допускается размыкание цепи вто-
ричной обмотки, поскольку тогда весь первичный ток становится на-
магничивающим и магнитный поток в магнитопроводе трансформато-
ра резко увеличивается. Это приводит к насыщению магнитопровода,
возрастанию в нем потерь и недопустимому нагреву изоляции обмоток.
Кроме того, на разомкнутой вторичной обмотке появляются опасные
для людей и изоляции пики напряжения в несколько тысяч вольт.
Точность преобразования первичного тока в пропорциональный ему
вторичный зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от зна-
чения первичного тока. На рис. 2.9, а кривая 1 соответствует зависимо-
сти изменения тока Z2 от величины первичного тока Zj при реальном
насыщении сердечника, а прямая 2 соответствует этой зависимости в
том идеальном случае, если насыщение сердечника отсутствует. Вели-
чина AZ определяет токовую погрешность измерений для данного зна-
чения первичного тока Z5; с увеличением первичного тока токовая по-
грешность AZ возрастает. Увеличивается также и насыщение сердечни-
ков трансформаторов тока, поэтому форма вторичного тока резко
искажается, становится несинусоидальной (рис. 2.9, б). Вследствие воз-
растания токовой погрешности релейная защита получает искаженную
информацию о режиме работы защищаемого объекта, что может при-
вести к ее неправильному действию (отказ срабатывания или излишнее
48
Рис. 2.9. Зависимости вторичного тока 12 от первичного 1Х (а), осциллограмма пер-
вичного ix и вторичного /2 токов при насыщении трансформатора тока (б) и зависи-
мость предельной кратности &10 первичного тока от сопротивления нагрузки (tf)
срабатывание). Искажение формы кривой вторичного тока может явить-
ся причиной отказа срабатывания некоторых видов измерительных ор-
ганов, применяемых в релейной защите. Для правильной работы боль-
шинства ее устройств в установившемся режиме погрешность по току
не должна превышать 10 %, а погрешность по углу 7°. Эти условия вы-
полняются при е < 10 %.
Для оценки степени насыщения введено понятие кратности первич-
ного тока /Z1HOM, где Zj— величина первичного тока; ZjH0M — но-
минальный первичный ток трансформатора.
Предельной кратностью тока называют отношение = Zlmax / ^1ном,
где Z|max — максимально допустимый ток первичной обмотки транс-
форматора тока, при котором полная погрешность е при данной нагрузке
не превосходит 10 %. Предельная номинальная кратность тока ном
является частным случаем предельной кратности к^ при нагрузке ZH,
равной номинальной ZH ном с cos<pH -0,8.
Заводы-изготовители дают для трансформаторов каждого типа кри-
вые зависимости предельной кратности тока /Zh) от величины сопро-
тивления нагрузки [59], примерный вид которых приведен на рис. 2.9, в.
Кроме того в паспортных данных указываются значения номинальной
нагрузки ZH ном и предельной номинальной кратности тока к^ ном [59].
Трансформаторы тока, как известно, выбираются по роду установ-
ки, напряжению, номинальному току, классу точности и проверяются
на устойчивость к действию токов короткого замыкания. Используемые
49
для подключения цепей релейной защиты трансформаторы тока допол-
нительно должны удовлетворять следующим трем требованиям [38]:
• в целях предотвращения излишних срабатываний при коротких за-
мыканиях вне зоны действия каждой из ступеней токовая погрешность
трансформатора тока (полная или относительная), как правило, не дол-
жна превышать 10 %;
• в целях предотвращения отказов защиты при коротком замыкании
в начале защищаемой зоны токовая погрешность не должна превышать
значений, допустимых для выбранного типа реле (по условиям повышен-
ной вибрации контактов), а для реле направления мощности и направ-
ленных реле сопротивления — 50 % (по условиям угловой погрешности);
• напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора тока
при коротком замыкании в защищаемой зоне не должно превышать
значений, допустимых для устройств релейной защиты по условиям
прочности изоляции вторичных цепей.
Для проверки трансформатора тока по условию 10 % погрешности
необходимо вычислить величину первичного тока /imax при коротком
замыкании в конце зоны действия каждой из ступеней защиты, а также
сопротивление ZH вторичной цепи трансформатора тока.
Расчетные формулы для вычисления сопротивления вторичной на-
грузки трансформаторов тока при разном их соединении приведены в
табл. 2.1, в которой: гпр — сопротивление соединительных проводов;
грф — сопротивление всех реле в данной фазе; zp0 — сопротивление реле
в нулевом проводе; гпер — переходное сопротивление контактов (0,1 Ом).
В целях упрощения все сопротивления складываются арифметически.
Сопротивление нагрузки вычисляют для наиболее нагруженной фазы
и для того вида КЗ, при котором это сопротивление получится наиболь-
шим. Сопротивление реле равно zp = S/l\ где S — потребляемая мощ-
ность, В«А; /—токреле, при котором задана потребляемая мощность, А.
Далее вычисляют величину предельной кратности тока — ^щад/Аном
и сравнивают величины к^ и ZH с паспортными данными. Если соблю-
даются условия < к\ 0 ном и ZH < ZH ном, то погрешность трансформа-
тора тока не превысит 10 %. Более точная проверка осуществляется с
использованием кривых предельной кратности к^= f (ZH) для данного
типа трансформатора тока (см. рис. 2.9, в). По оси ординат откладывают
вычисленное значение к^, а на оси абсцисс находят значение Z^ = ^д0П
допустимого сопротивления нагрузки. Если соблюдается условие Zn < ZH доп,
где ZH — вычисленное по табл. 2.1 сопротивление нагрузки, то погреш-
ность трансформатора не превышает 10 %. В противном случае необхо-
димо либо уменьшить значение ZH за счет увеличения сечения соеди-
50
нительных проводов, либо заменить трансформатор тока (выбрать дру-
гое значение /1ном или другой тип трансформатора).
Таблица 2.1
Схема
соединений
Вид КЗ
Трехфазное и двухфаз-
ное
Однофазное
Формулы для вычисления
сопротивления вторичной
нагрузки трансформатора
______тока (на фазу)____
?_____+ Z , + г
н пр рф пер
Г = lr +z г +z п 4-г
н пр рф рО пер
Трехфазное Z ~ л/Зг +Z . + z п+г , н пр рф рО пер’
Двухфазное в фазах АВ или В С Z ~1г + Z . + Z л + Г , н пр рф рО пер
Двухфазное за транс- форматором А/Д-11 Z =3r +z^+zA+r н пр рф рО пер
Трехфазное Z = V3(2r +z ) + г , н 'пр р' пер
Двухфазное в фазах А С Z =4r +2z +г , н пр р пер’
Двухфазное в фазах АВ или ВС Z ~1г +z + г н пр р пер
Трехфазное и двухфаз- ное; двухфазное за трансформатором Однофазное Z =3r +3z . + г > н пр рф пер Z -1г + 2z ,+ г н пр рф пер
Z' =0,57
н ’ н
= 2Z
н
Примечание. При последовательном или параллельном соединении транс-
форматоров тока в каждой фазе (схемы 5 и 6) сопротивление нагрузки каждого из
них обозначено , при этом сопротивление вторичной цепи ZH вычисляют по
формулам, приведенным для остальных схем.
51
При КЗ в месте установки защиты первичные токи трансформато-
ров тока могут быть значительно больше расчетного тока Is (см. рис. 2.9, а)
и полная погрешность окажется больше допустимого значения, равно-
го 10 %. Глубокое насыщение трансформаторов тока, а следовательно,
и увеличение токовой погрешности могут быть вызваны апериодичес-
кой составляющей в кривой тока КЗ. В этих случаях релейная защита
может срабатывать нечетко или иметь отказы. Например, при токовой
погрешности более 50 % и вторичном токе, в 3,5 раза и более превыша-
ющем ток срабатывания, у электромагнитных реле возникает неустра-
нимая вибрация контактов вследствие резкого искажения формы кри-
вой тока. Поэтому для максимальных токовых защит и токовых отсечек
с реле РТ-40, для полупроводниковых реле, а также для дистанционных
защит с индукционными реле токовая погрешность трансформаторов
тока более 50 % не допускается. Для максимальных токовых направлен-
ных защит эта погрешность не должна превышать 30 %. В то же время
ряд реле, выполненных на интегральных микросхемах, например
РСТ11—РСТ14, могут четко работать при погрешностях трансформа-
тора тока от 80 до 90 % [22].
Проверка погрешности трансформатора тока при коротком замыка-
нии в начале защищаемой зоны выполняется следующим образом. По из-
вестной величине нагрузки находят предельную кратность тока Л10 по
кривым £10 = f (2ц) для данного типа трансформатора тока [59]. Вычисля-
ют величину тока /1щах, соответствующую короткому замыканию в начале
зоны защиты, и определяют величину наибольшей кратности тока для этого
случая &тах Лтах/Лном*
Используя справочные данные,
например [59], задаются макси-
мально допустимой для выбран-
ной защиты токовой погрешнос-
тью f% и по графику, приведенно-
му на рис. 2.10, находят значение
коэффициента А. Затем проверя-
ют условие:
3 5 7 9 А
£10<^х. (2.16)
Рис. 2.10. Зависимость токовой погрет- Если это условие выполняется,
ности /от коэффициента А
то токовая погрешность трансфор-
матора тока не превысит допустимого для данного случая значения.
В противном случае проверка трансформатора тока по токам КЗ в мес-
те установки защиты может потребовать либо уменьшения Zw выбран-
ного по условию 10 %-й погрешности, либо выбора трансформатора тока
того же типа с более высоким значением /1ном, либо выбора его другого
типа. Более точный метод проверки пригодности трансформатора тока
для релейной защиты при погрешности выше 10 % изложен в [59].
Еще одну проверку трансформатора тока необходимо выполнить по
напряжению U2m, которое возникает при первичном токе равном
максимальному току КЗ в месте установки защиты:
— к \[21. ——, 1 п\
2т у Imax £ ’ /)
т
где ку = 1,8— ударный коэффициент тока КЗ.
Это напряжение не должно превышать (амплитудное значе-
xl V11
ние), где иисп — испытательное напряжение для изоляции токовых це-
пей, принимаемое равным 1000 В (действующее значение) [38].
Схемы включения. Наиболее распространена схема соединений
трансформаторов тока и обмоток реле тока КА в звезду (рис. 2.11, а).
Она применяется для защит, реагирующих на все виды однофазных и
многофазных замыканий. В нулевом проводе п протекает ток только при
коротких замыканиях на землю (в системах с заземленной нейтралью),
либо при обрыве вторичной цепи одного из трансформаторов тока. Ко-
эффициент схемы ксх — отношение тока в реле ко вторичному току
трансформатора тока той же фазы ~ равен единице. По условиям элек-
тробезопасности все вторичные обмотки трансформаторов тока необ-
ходимо заземлять.
На рис. 2.11, б приведена так называемая схема соединения в непол-
ную звезду. По реле, включенным в фазы, протекает ток соответствую-
щих трансформаторов тока, поэтому ксх = 1. В нулевом проводе ток ра-
вен геометрической сумме токов фаз. При замыкании на землю фазы В
ток в схеме защиты по сравнению с током нормального режима не из-
меняется. Поэтому такая схема применяется в сетях с изолированной
нейтралью только для защит от междуфазных замыканий. Для защиты
трехфазных электрических сетей и трансформаторов со схемой соеди-
нения обмоток А/ Y можно применять соединение трансформаторов
53
Рис. 2.11. Схемы включения трансформаторов тока
тока в неполную звезду с двумя реле (в обратный провод реле не включа-
ется). В этих случаях ее чувствительность такая же, что и у схемы с тремя
реле. При двухфазном КЗ за трансформатором со схемой А /А чувстви-
тельность рассмотренной схемы в 2 раза ниже, чем у схемы с тремя реле.
В схеме рис. 2.11, в трансформаторы тока включены в треугольник, а
реле — в звезду. Схема применяется в основном для дифференциальных
защит трансформаторов. Через катушку каждого реле проходит ток, рав-
ный геометрической разности токов двух фаз. При симметричной на-
грузке и трехфазном замыкании через реле течет линейный ток, в л/З
раз больший тока фазы и сдвинутый относительно него на 30°. В этом
режиме &сх = л/3 . Токи через катушки реле проходят при всех видах КЗ,
однако отношение тока в данном реле к фазному току зависит от вида
КЗ. Токи нулевой последовательности замыкаются внутри треугольни-
ка и в реле не попадают. Возможно применение рассматриваемой схе-
мы соединения трансформаторов тока с двумя реле. Такое соединение
получается, если в схеме, приведенной на рис. 2.11, в, одно из реле зам-
кнуто накоротко. Однако при двухфазном КЗ за трансформатором со
54
схемой соединения обмоток А/ Y ее чувствительность оказывается в
2 раза меньше, чем при трех реле.
В схеме, приведенной на рис. 2.11, г, реле включено на геометричес-
кую разность токов двух фаз. При симметричной нагрузке и трехфаз-
ном КЗ ток в реле в у/З раз больше тока фазы I к = V3). При КЗ между
фазами А и С ток через реле в 2 раза больше тока фазы (ксх = 2), а при
двухфазных КЗ между другими фазами через реле проходит ток только
одной фазы (ксх = 1). Эта схема наиболее проста, но имеет существен-
ный недостаток: ее чувствительность к разным видам КЗ различна. Кро-
ме того, она не реагирует на КЗ между фазами В и С за трансформатора-
ми с соединением обмоток А/Л> а также на замыкания на землю в
фазе В. Обычно она применяется для защит от многофазных замыка-
ний линий небольшой длины с изолированной нейтралью и электро-
двигателей небольшой мощности.
При разных видах КЗ (трехфазные, двухфазные, однофазные) через реле
тока, установленных в разных фазах (см. схемы включения, приведенные
на рис. 2.11), могут протекать разные по величине токи. Условия работы
защиты определяются тем из вторичных токов трансформатора тока, ко-
торый при данном виде КЗ является наибольшим и который проходит хотя
бы по одному из реле защиты. Для схем включения трансформаторов тока
и реле такой наибольший вторичный ток /р является расчетным.
В табл. 2.2 приведены формулы для вычисления тока I в симмет-
х~
ричных режимах и при трехфазных () и двухфазных () КЗ. Име-
ется в виду при этом, что для распределительных сетей и сетей внешне-
го электроснабжения железных дорог имеет место соотношение
Z(2) =7з/(3)/2 = 0,866/(3).
К К К
Расчетный ток L связан с током первичной сети соотношением
хг
Л = к^1^ / К где I — ток в защищаемой цепи при данном режиме
ил I J ’ ж
или виде КЗ; к^ — расчетный коэффициент схемы при том же режиме
или виде КЗ; — коэффициент трансформации трансформатора тока.
Для трехфазного КЗ (т - 3) имеем k^I^ = k^Jl^, для двухфазного
VA LX
КЗ (т = 2)— к^1^ =к^.№ , для однофазного КЗ — к^1^ =к^1^ .
сх сх сх сх
55
В нормальном (симметричном) режиме k^J^ =^сх^н , где /н — ток
нормальной нагрузки, а к =
сх
№.
сх
Таблица 2.2
Схема включения транс- форматоров тока и реле Формулы для вычисления тока в реле /р при КЗ и в симметричных режимах
трехфазные КЗ и симмет- ричные ре- жимы двухфазные КЗ
в месте установки защиты или за трансформатором А4А-0(12) за трансформато- ром Д/А-п
Полная звезда (рис. 2.11, а) 7(3) к ^т 7(2) Тз7(3) к _ к К 2К т т II S , Im
Неполная звезда с двумя реле (показанное на рис. 2.11, б реле в обратном про- воде замкнуто накоротко) 7(3) к ^т /(2) 7з/<3) к _ к К 2К т т /2) 7(3) к _ К 2Ку
Неполная звезда с тремя реле (рис. 2.11, б) 7(3) к ^т /<2> 7з/(3) К _ к К 2К т т 21™ 7(3) К __ К >/ЗАГт “ *т
Треугольник с тремя реле (рис. 2.11, в) л/® 21™ Л/(3) К — к Jil™ 1,57<3>
^т К? Хт ^т
Треугольник с двумя реле (одно из реле, показанных на рис. 2.11, в, замкнуто накоротко) № Л/(3) к _ к К 2К т т 7з/2> 1,5Z<3> к _ ’ к ^т *т
Включение одного реле на разность токов двух фаз (рис. 2.11, г) к ^т 7(2) ^(3) К _ к К 2К т т Не применяется
В табл. 2.3 приведены значения расчетных коэффициентов схемы для
различных схем и режимов. Для трансформатора со схемой соединения
обмоток JL /Л-Н значения к^ и принимают такими же, каки
56
дня схемы Л /Д^-11 (поскольку в схеме X /Л-11 вторичная обмотка не
имеет нулевой точки, то однофазные КЗ невозможны). Прочерк в табл. 2.3
означает, что для защиты от КЗ данного вида такая схема соединений
не применяется из-за сложности или возможности появления отказа при
КЗ в какой-либо из фаз.
Таблица 2.3
Схема включения транс- форматоров тока и реле Значения коэффициента схемы ксх при КЗ и в симметричных режимах
к =*« сх сх в месте установки защиты или за транс- форматором Х/Л-0(12) в месте установки защиты или за транс- форматором Л/А.Ц
*(2) СХ к^ сх *(2) сх к® сх
Полная звезда (рис. 2.11, а) 1 1 — 2 л/3 —
Неполная звезда с двумя реле (показанное на рис. 2.11, б реле в обратном проводе замкнуто нако- ротко) 1 1 —< j m 1 Л 1 7з
Неполная звезда с тремя реле (рис. 2.11, б) 1 1 2 3 2 7з 1 7з
Треугольник с тремя реле (рис. 2.11, в) 2 — Л 2 л/З
Треугольник с двумя реле (одно из реле, пока- занных на рис. 2.11, в, замкнуто накоротко) Л 1 — 7з 1
Включение одного реле на разность токов двух фаз (рис. 2.11, г) Л 1 — —
Ток срабатывания реле 1С^ в симметричном режиме определяется по
формулам для трехфазного КЗ при замене на ток срабатывания за-
щиты также приведенный к напряжению той стороны, где установ-
57
лены трансформаторы тока. Аналогично определяется ток /р через реле
в нормальном симметричном режиме. В этом случае в формулах для трех-
фазного КЗ ток заменяется на фазный ток /н нормального режима,
протекающий по первичной обмотке трансформатора тока.
2.5. Условия работы и схемы включения трансформаторов
напряжения
Однофазный трансформатор (рис. 2.12, а) первичной обмоткой вклю-
чен на линейное напряжение между двумя любыми фазами. Если его
вторичная обмотка разомкнута, то под действием приложенного к пер-
вичной обмотке напряжения по ней протекает ток намагничивания,
создающий в магнитопроводе магнитный поток. Этот поток Ф наводит
в первичной обмотке с числом витков Wj ЭДС = 4,44и во вто-
ричной с числом витков w2 — ЭДС Е2 = 4,44/и^Ф, где f — частота. В ре-
жиме холостого хода во вторичной обмотке тока нет, а ток намагничи-
вания в первичной мал. Поэтому напряжения и U2 на первичной и
вторичной обмотках можно считать равными соответствующим ЭДС.
KV1 KV2KV3 KV4 KV5 KV6
АВС
а
о,
а
KV1 KV2KV3 KV4 KV5 KV6 KV7 KV8 KV9
[ДОДМДМД
а
b
с
п
Рис. 2.12. Схемы включения трансформаторов напряжения и реле
58
Коэффициент трансформации:
Если же ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то в ней по-
явится ток, увеличится ток также и в первичной обмотке. Эти токи со-
здают в сопротивлениях обмоток падения напряжения. Чем больше токи
в обмотках, тем больше падения напряжения и тем больше напряжения
на обмотках отличаются от ЭДС. В связи с этим нарушается пропорци-
ональность между вторичным и первичным напряжениями. Угловая
погрешность невелика (менее 1 %). Погрешность по напряжению
А67 =
±-100%,
(2.18)
Для уменьшения погрешностей следует стремиться к режиму, близ-
кому к холостому ходу. По этой погрешности стандартом установлены
четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3. Каждому классу точности соот-
ветствует своя номинальная мощность.
Схема, приведенная на рис. 2.12, а, применяется в тех случаях, когда
необходимо измерять одно линейное напряжение между какими-либо
двумя фазами. Схема соединения трансформаторов напряжения в от-
крытый треугольник (рис. 2.12, б) позволяет измерять все три межцу-
фазных напряжения, а схема соединения трех трансформаторов в звез-
ду (рис. 2.12, tf) — все линейные и все фазные напряжения.
Защита трансформаторов напряжения от внутренних повреждений
осуществляется предохранителями, которые устанавливают на каждом
из выводов первичной обмотки. Однако эти предохранители не защи-
щают вторичные цепи от перегрузок и коротких замыканий. Поэтому
все незаземленные провода присоединяют к выводам вторичных обмо-
ток трансформаторов напряжения через предохранители или автомати-
ческие выключатели. По условиям безопасности вторичная обмотка
должна быть заземлена. Провод, подключенный к вторичной обмотке в
точке ее заземления, предохранителем или автоматическим выключа-
телем не оборудуется.
Если перегорание предохранителей или отключение автоматических
выключателей, при которых исчезает вторичное напряжение, может
привести к неверному действию защиты, то такие защиты должны снаб-
59
жаться специальными органами, ко-
торые автоматически выводят эти за-
щиты из работы.
Для напряжений 500 кВ и выше
электромагнитные трансформаторы на-
пряжения получаются громоздкими и
дорогими. В таких установках применя-
ют емкостные преобразователи напря-
жения (рис. 2.13), в которых использу-
Рис. 2.13. Емкостной измеритель- ются емкостные делители напряжения и
ный преобразователь напряжения электромагнитные трансформаторы на-
пряжения. Напряжение f/C2 на кон~
денсаторе С2 равно tZC2 = ЦС1ДС1+С2). Это напряжение подается на
первичную обмотку трансформатора Т, со вторичной обмотки которого
снимается напряжение [/2. Номинальное напряжение ^2ном~ ^0
Реактор LR совместно с индуктивностью рассеяния трансформато-
ра Т компенсирует падение напряжения в делителе, вызванное токами
нагрузки. Разрядник FV защищает трансформатор Т от перенапряже-
ний. В качестве С1 может использоваться батарея последовательно со-
единенных конденсаторов.
Емкостные измерительные преобразователи напряжения могут при-
меняться и в сетях более низкого напряжения. Распространены схемы,
в которых в качестве емкости С1 используются конденсаторные обклад-
ки вводов 110—500 кВ трансформаторов и выключателей. Однако точ-
ность их ниже, чем электромагнитных трансформаторов напряжения.
2.6. Согласующие и промежуточные трансформаторы
Электромеханические реле подключают непосредственно ко вторич-
ным обмоткам трансформаторов тока и напряжения. В то же время но-
минальные вторичные токи 5 А трансформаторов тока и номинальные
вторичные напряжения 100 В трансформаторов напряжения для полу-
проводниковых элементов, особенно для микроэлектронных схем, ока-
зываются слишком большими. Поэтому электронные блоки релейной
защиты подключают к измерительным трансформаторам не непосред-
ственно, а через согласующие трансформаторы [22, 27].
Так, измерительные приборы и измерительные органы И01? И02, И03
полупроводниковых защит комплекса «Сейма» подключены ктрансфор-
60
Рис. 2.14. Схемы подключения
полупроводниковых защит к
измерительным трансформаторам
матору тока ТА через согласующий
трансформатор TL (рис. 2.14, а). Ко
вторичной обмотке трансформато-
ра TL присоединена цепочка пос-
ледовательно соединенных потен-
циометров Rl, R2, R3. Падение на-
пряжения на них используется в
качестве входных сигналов для из-
мерительных органов. Уставки ре-
гулируют движками потенциомет-
ров. Коэффициент трансформации
согласующего трансформатора TL
равен 50, номинальный вторичный
ток 0,1 А. Промежуточные транс-
форматоры TL1, TL2, TL3 выпол-
няют роль разделительных, они
осуществляют гальваническую раз-
вязку измерительных органов и ус-
траняют взаимное влияние цепей
этих органов.
При подключении приборов и
измерительных органов релейной
защиты к трансформатору напряжения TV (рис. 2.14, б) через согласую-
щий трансформатор TL (коэффициент трансформации 25, номиналь-
ное вторичное напряжение 4 В) во входных цепях измерительных орга-
нов протекают весьма малые токи. Полупроводниковые устройства ре-
лейной защиты в этом случае можно выполнить в виде модулей на
разъемах, что существенно облегчает замену модулей при ревизиях и
ремонтах. Такой принцип используется в электронном комплексе «Сей-
ма», предназначенном для управления и защиты тяговых подстанций и
постов секционирования переменного тока [27].
В ряде случаев, например для реле сопротивления, на вход измери-
тельных органов необходимо подавать электрическую величину, про-
порциональную геометрической сумме (или разности) напряжения
и тока 7р, подводимых к реле от измерительных трансформаторов. На
рис. 2.15, а приведена измерительная схема, осуществляющая с помо-
щью согласующих трансформаторов преобразование вида:
61
Рис. 2.15. Входной блок дня реле, реаги-
рующего на две подведенные величины
—2 =—3—р —^4—р’ <2’19)
где &2> ^3’ ^4 — комплексные коэф-
фициенты.
Схема состоит из двух промежу-
точных трансформаторов ТЫ и
TL2. Первичная обмотка транс-
форматора ТЫ подключается к
трансформатору напряжения TV, а
первичная обмотка трансформато-
ра TL2 — к трансформатору тока
ТА. В качестве TL2 используется
промежуточный трансформатор с
воздушным зазором в магнитопро-
воде (трансреактор). ЭДС на его
вторичных обмотках пропорцио-
нальна току в первичной обмотке и
сдвинута на угол, близкий к 90е.
Вторичные обмотки трансформа-
торов ТЫ и TL2 включены соглас-
но-последовательно и встречно-последовательно. На вторичных обмотках
трансформатора ТЫ имеем напряжения £7Н j и U^, а на вторичных обмот-
ках TL2 — напряжения и Д,2. Напряжения на выходных зажимах:
—2=—т2——н2' (2.20)
Необходимые фазовые сдвиги в схеме обеспечиваются цепочками
R1-C1 и R2-C2.
На векторной диаграмме (рис. 2.15, б) за исходный принят вектор
б/p. Вектор /р отстает от него на угол <рр. Вектор сдвинут относитель-
но f/p на угол л—у* Угол у обусловлен наличием цепочки Rl—С1 и поте-
рями в трансформаторе ТЫ. Векторы и Д.2 отстают от вектора /р на
угол т + р. Угол Р обусловлен наличием цепочки R2—С2, характером
нагрузки и потерями в трансформаторе TL2. Если в качестве TL2 ис-
пользуется трансреактор, то т = л/2 (в качестве TL2 можно применять
также специальные трансформаторы тока [60], в этом случае т = л). По-
скольку ТЫ и TL2 являются трансформаторами, то:
62
н1 н1 р’ н2 н2 р
т2 р
где = Кт, кИ2 = — коэффициенты трансформации трансформатора
TL1; кф к^— коэффициенты преобразования для трансреактора TL2. Коэф-
фициенты и kj.2 имеют раЗхМерность В/А.
Из треугольников ОВС и ОЛГпо теореме косинусов находим:
= U'AJ\-2U,U ,ссы-=к\Г+к\ил-2к к Л1 I cos(ip
2 т2 h2 t2 н2 т2 p н2 p т2 н2 p p ^p
Hl p vvp
Л, = arccos
н1
= arc cos
; (2.21)
X2 = arccos
2 +(/2 _jy2
2 t2 h2
= arccos
к „I -k JJ cos(cp -a)
т2 p h2 p VYp '
где Е~л-у-(рр-т-р7 а = я- у~т~Р-
Угол а является конструктивным параметром и носит название угла
максимальной чувствительности. Напряжения L/j и £/2 подаются на схе-
му сравнения СС реле сопротивления (см. ниже п. 3.4, рис. 3.30, б), ре-
агирующих на две подведенные величины. В зависимости от конструк-
ции такие реле могут реагировать на абсолютные значения Щ и (72, Фа~
зовый угол между ними Aq +Л2 либо на то и другое одновременно.
Согласующие трансформаторы широко используются в электронных
и микропроцессорных защитах. Во второй части учебника на рис. 8.39, а
(см. гл. 8, часть 2) в качестве примера приведена схема согласующего
трансформатора TLV, преобразующего напряжение (7 в падение напря-
жения на резисторе R^, и согласующего трансформатора TLA, преобра-
зующего ток /р в падение напряжения на резисторах и Rt2. Согласую-
щие и промежуточные трансформаторы работают, как правило, в режи-
мах, отличающихся от режимов других маломощных трансформаторов,
используемых, например, в блоках питания разных устройств. Если для
трансформаторов блоков питания характерно примерное постоянство ве-
личины входного напряжения и стремление к снижению их стоимости,
63
то для согласующих и промежуточных трансформаторов релейной защи-
ты важно, чтобы их основные параметры и линейность сохранялись в ус-
ловиях большого диапазона изменений напряжений и токов. При исполь-
зовании для устройства защиты модульных конструкций важно иметь
возможно малые габариты этих трансформаторов и удобную их форму.
Большое распространение получили тороидальные трансформато-
ры, однако трансреакторы на тороидах из трансформаторной стали вы-
полнять неудобно, поэтому для их изготовления используют Ш-образ-
ныс пластины. Возможна также конструкция трансреактора в виде
трансформатора с ферритовым магнитопроводом [61]. Если обычные
согласующие или промежуточные трансформаторы предназначены для
преобразования напряжения (или тока) одной величины в напряжение
(или ток) другой величины, то такой трансреактор преобразует ток пер-
вичной обмотки в ЭДС на вторичной обмотке, величина которой про-
порциональна этому току, а угол сдвига между ней и током близок к л/2.
Коэффициент преобразования может грубо регулироваться измене-
нием числа витков первичной обмотки.
Методика расчета согласующих и промежуточных трансформаторов
и трансреакторов приведена в [60].
2.7. Понятие о переходных процессах
Возникновение в электрических сетях, генераторах и трансформа-
торах коротких замыканий сопровождается переходным процессом,
состоящим из периодической и апериодической составляющих тока КЗ.
Основное влияние на работу трансформаторов тока и других трансфор-
маторов устройств релейной защиты оказывает апериодическая состав-
ляющая [15, 16, 17, 20]. Эта составляющая имеет наибольшее значение,
равное амплитуде установившегося тока короткого замыкания, в том
случае, если короткое замыкание наступает в момент, когда кривая на-
пряжения проходит через нулевое или близкое к нулю значение. В этом
случае примерно через полпериода амплитуда тока короткого замыка-
ния (ударный ток) достигнет почти удвоенной амплитуды установив-
шегося значения этого тока.
Если магнитопровод трансформатора тока (или согласующих транс-
форматоров) не был насыщен предыдущей нагрузкой нормального ре-
жима, то в его вторичной цепи кроме периодической появляется и апе-
риодическая составляющая. Ударный ток при этом может вызвать излиш-
64
нее действие тех защит, которые не предназначались для этого короткого
замыкания. В случае насыщения магнитопровода трансформатора тока
(или согласующих трансформаторов) предыдущей нагрузкой нормального
режима эти трансформаторы могут перейти в режим глубокого насыще-
ния из-за апериодической составляющей тока короткого замыкания. В
таком режиме трансформация периодической составляющей тока (на
которую обычно настраивается защита) ухудшается. В этом случае защи-
та может не срабатывать до тех пор, пока апериодическая составляющая
не затухнет. Срабатывание происходит с замедлением.
Для быстродействующих защит снижение влияния апериодической
составляющей тока короткого замыкания является весьма желательным.
Это снижение может быть обеспечено с помощью немагнитных зазоров
в магнитопроводах трансформаторов тока, согласующих и промежуточ-
ных трансформаторов в цепях тока, т.е. трансрсакторов, создающих вто-
ричные ЭДС, пропорциональные производной тока по времени (di/dt).
Поэтому апериодическая составляющая плохо трансформируется. На-
личие зазоров в магнитопроводах приводит однако при той же величи-
не вторичной нагрузки к увеличению сечения магнитопроводов, а сле-
довательно, и габаритов. Кроме того имеются существенные техноло-
гические трудности изготовления магнитопроводов с зазором с
совпадающими магнитными характеристиками.
В том случае, если измерительные органы релейной защиты выпол-
нены с применением интегральной микроэлектроники или микропро-
цессоров, т.е. имеют весьма высокое входное сопротивление, то согла-
сующие и промежуточные трансформаторы могут быть выполнены с
ферритовыми магнитопроводами. В этом случае они обладают свойства-
ми трансреакгоров.
Подавление апериодической составляющей на входе релейной за-
щиты может быть обеспечено также с помощью дифференцирующих
цепочек или частотных фильтров.
Что касается трансформаторов напряжения, а также согласующих и
промежуточных трансформаторов в цепях напряжения, то переходные
процессы в них существуют практически только в первом полупериоде.
Основная гармоника первичного напряжения хорошо ими трансформиру-
ется и на работу даже быстродействующих защит практически не влияет.
Переходные процессы в отдельных элементах электронных защит рас-
смотрены в [23]. В таких защитах переходные процессы затухают практи-
чески через величину от 0,5 до 1 периода, т.е. через время от 10 до 20 мс.
65
2.8. Фильтры
По назначению фильтры делятся на фильтры симметричных состав-
ляющих, частотные и сглаживающие.
В трехфазных симметричных электрических системах некоторые виды
повреждений приводят к нарушению симметрии и появлению обратной
или нулевой последовательности в напряжениях и токах. Выделение пря-
мой, обратной и нулевой последовательностей токов и напряжений и их
контроль может помочь релейной защите более четко отличить аварий-
ный режим от нормального. Выделение этих последовательностей осу-
ществляется фильтрами симметричных составляющих [62, 63].
Релейная защита в системах переменного тока рассчитывается, как
правило, для работы в цепях с синусоидальной формой токов и напря-
жений. Однако на практике, особенно в цепях с выпрямителями, что
характерно, например для электрической тяги, форма тока может отли-
чаться от синусоидальной, т.е. содержать кроме первой и большое чис-
ло других гармонических составляющих. В меньшей степени искаже-
нию подвергается кривая напряжения, однако в момент короткого за-
мыкания и в ней наблюдается появление высших гармоник.
Искажения кривых тока и напряжения изменяют характеристики
срабатывания некоторых защит [18, 28], что может явиться причиной
их неверного действия. С другой стороны признаки, которые характе-
ризуют искажение формы кривой тока, можно использовать для искус-
ственного торможения действия защиты в тех режимах, когда она сра-
батывать не должна. Подавление или
гармонических составляющих (или
Рис. 2.16. Защита с фильтром симмет-
ричных составляющих тока
наоборот, выделение тех или иных
полосы частот) осуществляется с
помощью частотных фильтров.
Фильтры симметричных со-
ставляющих используются для
выделения в многофазной систе-
ме токов или напряжений пря-
мой, обратной и нулевой после-
довательностей. Через фильтр ZA
симметричных составляющих
тока подключают реле КА к
трансформаторам тока (рис.
2.16). Ток /р в реле можно выра-
зить через токи фаз или через со-
66
ставляющие прямой (/|), обратной (/2) и нулевой (/0) последовательно-
стей:
_р ~ к.a— a +^bLb + ^с~с ~ k-lJL] + ^2—2 + —О—О’ (2.22)
где ка, кь, кс, Ар Aj» Aq •— коэффициенты пропорциональности, зависящие от
свойств фильтра ZA.
При &2 = = 0 получаем фильтр тока прямой последовательности.
Защиты с таким фильтром распространения не получили, так как при
несимметричных КЗ у них снижается чувствительность. При А] = Ао = 0
получаем фильтр тока обратной последовательности. Защиты с таким
фильтром можно применять для отключения несимметричных (двух-
фазных и однофазных) КЗ. Они могут использоваться, в частности, на
выпрямительных агрегатах тяговых подстанций постоянного тока. При
к\ = к% = 0 получаем фильтр токов нулевой последовательности. Защиты
с таким фильтром реагируют на повреждения, сопровождающиеся по-
явлением токов нулевой последовательности, например, на замыкание
одной фазы на землю.
Фильтры симметричных составляющих в общем случае выполняют,
соединяя специальным образом элементы с активными и реактивными
(индуктивными и емкостными) сопротивлениями — резисторы, катуш-
ки индуктивности или взаимной индуктивности, конденсаторы. Схемы
и расчет фильтров описаны в [60, 62, 63]. Широко применяют фильтры
токов и напряжений нулевой последовательности, выполненные на
трансформаторах тока и напряжения.
Фильтр напряжений нулевой последовательности может быть выпол-
нен с помощью трех сопротивлений Zo (рис. 2.17, а) или трех конденса-
торов (рис. 2.17, 6). Выходное напряжение фильтра снимается с зажи-
мов тп.
Рис. 2.17. Схемы фильтров нулевой последовательности
67
Рис. 2.18. Схема фильтра напряжения
обратной последовательности
Схема фильтра обратной
последовательности приведена
на рис. 2.18. Сопротивления
Xa,Rfl,Xc,Rc подбирают так,
чтобы напряжение на выходных
зажимах тп было равно нулю,
если междуфазные напряжения
^ab^bc^ca Не содеРжат со“
ставляющих обратной последовательности. Если в схеме, приведенной
на рис. 2.18, поменять местами резисторы и конденсаторы, то получит-
ся фильтр напряжений прямой последовательности. Методика расчета
таких фильтров приведена в [60].
Т^ехтрансформаторный фильтр тока нулевой последовательности
(ФТНП), состоящий из трех трансформаторов тока (рис. 2.19, а), при-
меняют для выделения токов нулевой последовательности в сетях 35 кВ
с изолированной нейтралью.
Ток в реле КА равен геометрической сумме вторичных фазных токов:
—р —а + —Ь + — с 3/0 / >
где Kj. ~ коэффициент трансформации трансформаторов тока.
а
Рис. 2.19. Трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности:
а — схема фильтра; б — схема для снятия характеристик намагничивания; в —
характеристики намагничивания трех трансформаторов тока
в
68
В нормальном режиме электроустановки, когда в ее токе не содер-
жатся составляющие нулевой последовательности /0, а все трансфор-
маторы тока совершенно одинаковы, геометрическая сумма вторичных
токов трех фаз равна нулю; тока в реле КА нет (Zp = 0). При появлении
составляющих тока нулевой последовательности (аварийный режим —
замыкание одной фазы на землю) геометрическая сумма фазных токов
нулю не равна и через реле КА течет ток Zp = 3Z0/ZQ. Реле срабатывает и
подает сигнал об аварийном режиме.
В реальных схемах такие трансформаторы тока могут использовать-
ся и для других защит, например, от междуфазных КЗ. В этом случае
применяют схему соединений, приведенную на рис. 2.11, а, в которой
выделение тока нулевой последовательности происходит в нулевом
проводе п.
При идеальных трансфорхматорах тока ток 1р в реле может появиться
только при замыкании одной или двух фаз на землю. В реальных усло-
виях трансформаторы тока в фазах по своим характеристикам не иден-
тичны (в пределах заводских допусков), поэтому в нормальном режиме
(при отсутствии замыкания на землю) через реле протекает ток неба-
ланса. С увеличением фазных токов возрастает и ток небаланса. При
близких междуфазных коротких замыканиях ток небаланса может на-
столько возрасти, что вызовет срабатывание реле КА (см. рис. 2.19, а),
т.е. ложное действие защиты.
Для снижения тока небаланса необходимо:
— для ФТНП подбирать такие три трансформатора тока, у которых
реальные характеристики намагничивания отличаются друг от друга как
можно меньше;
— подключение однофазных потребителей к ВЛ-35 выполнять так,
чтобы неравномерность нагрузки по фазам была минимальной и не пре-
вышала бы, как правило, 1 %.
Результирующий ток небаланса Zp =Zh61 в Реле КА вычисляют по
выражению
А161 "" ^нб,нн + Агб,ТТ ’
где Zh6 нн — составляющая тока небаланса из-за нссимметрии нагрузок по фа-
зам ВЛ, А;
/нб — составляющая тока небаланса из-за несовпадения характеристик
трансформаторов тока, образующих ФТНП, А.
69
Составляющую тока небаланса /нб нн, возникающую на выходе
ФТНП из-за несимметрии (неравномерности) нагрузок по фазам ВЛ,
вычисляют по одной из приближенных формул:
нб,нн
фтах фтш
нб,нн
1,86
----к _ I ,
к нб,нн max
где 7ф тах , 7ф — соответственно наибольшее и наименьшее из трех дей-
ствующих значений фазных токов ВЛ в режиме максимума нагрузки, А;
/тах — наибольшее расчетное значение фазного тока защищаемой линии в
режиме без однофазных замыканий на землю (033), А;
Ар — коэффициент трансформации трансформаторов тока;
£нб нн — коэффициент небаланса за счет неравномерности нагрузки по
фазам,’определяемый как £нб нн = (/ф тах - /ф min)/7max.
Значение /тах желательно принимать по режиму двухфазного КЗ. Если
при этом чувствительность защиты к 033 не обеспечивается, то допуска-
ется принимать в качестве /тах значение наибольшего тока нагрузки
/ф тах. Однако следует иметь в виду, что в этом случае при близких корот-
ких замыканиях возможно ложное срабатывание защиты от 033 из-за
существенного возрастания тока небаланса. Для исключения таких лож-
ных действии можно ввести в цепь защиты от 033 блокировку от других
защит, предназначенных для срабатывания при коротких замыканиях.
Определение составляющей тока небаланса /нб возникающего из-
за различия характеристик намагничивания трансформаторов тока, для
реального трехтрансформаторного ФТНП осуществляют на основе спе-
циальных измерений в следующем порядке.
Находят сопротивление вторичной цепи ФТНП по формуле
^2 ^т2+^р+ ^пр+
ер
9
где Zt2 — сопротивление вторичной обмотки используемого типа трансформа-
тора тока, Ом;
Zo — сопротивление реле КА, Ом;
Арр — сопротивление соединительных проводов, Ом;
Япрп — переходное сопротивление контактов, Ом.
В целях упрощения и создания расчетного запаса все сопротивления
складываются арифметически.
70
Значение Z^ принимают по каталогам или паспортным данным транс-
форматора тока. Сопротивление реле определяют по его паспорту или ка-
талогам, либо по формуле 2^ = 5 / Т2, где S — мощность, потребляемая
реле, В А; 7— ток во входных цепях реле при данной мощности, А.
Значения S и соответствующего этой мощности тока 7 также приво-
дятся в паспорте и каталогах.
Сопротивление соединительных проводов (кабелей) определяют по
формуле
AiP= l/ys = zpA’
где / — длина провода (кабеля), м;
у — удельная проводимость, м/(Ом'ММ2);
р — удельное сопротивление, Оммм2/м;
s — сечение провода или жилы кабеля, мм2.
Значение удельной проводимости принимают у = 57 м/(Ом-мм2), а
удельного сопротивления — р = 0,0175 (Ом-мм2)/м. Переходное сопро-
тивление контактов принимают от 0,05 до 0,1 Ом.
По схеме, приведенной на рис. 2.19, б, или с использованием специ-
альной испытательной установки для всех трех трансформаторов тока,
образующих ФТНП, выполняют измерения и строят на одном графике
характеристики намагничивания 2^ =/ (Л<ам)’ где ^2 ~ ^2 ~~ ЭДС вто-
ричной обмотки регулировочного автотрансформатора, определяемая
по показаниям вольтметра V, В; Гнам — ток намагничивания, А, опре-
деляемый по показаниям амперметра А.
Общий вид таких характеристик приведен на рис. 2.19, <?. Номера
кривых 7, 2 и 3 соответствуют номеру испытуемых трансформаторов
тока. Перегиб характеристики намагничивания соответствует индукции
магнитного поля в сердечнике примерно от 0,4 до 0,5 Тл.
Определяют значение Е2 =^2тах’ соответствующее максимальному
расчетному току фидера по формуле
р _ Алах у
2max ~ £ 2’
т
где 7тах — максимальное значение расчетного фазного тока рассматриваемого
фидера в режиме без 033, А;
Лр — номинальный коэффициент трансформации трансформаторов тока,
образующих ФТНП.
71
Затем откладывают на графиках Е2 —f (1'пам) вычисленное значение
^2тах и по точкам пересечения а, Ь, с характеристик намагничивания с
горизонтальной линией, соответствующей значению ^тах’ определя-
ют значения токов намагничивания /'нам1, Лгам2’ ^намЗ соответствен-
но для каждого из трех трансформаторов тока (см. рис. 2.19, в).
Если рабочие точки а, Ь, с или хотя бы одна из них на характеристи-
ках намагничивания находятся за переломом (т.е. в области насыще-
ния), то далее вычисляют:
— составляющую тока небаланса первой гармоники по формуле
Т
У
— составляющую тока небаланса третьей гармоники по формуле
К =0,34(Г .+/'<+/' Л
— результирующее значение максимального тока небаланса в цепи
реле КА (см. рис. 2.19, а) по формуле
Если же все три рабочие точки а, Ь, с находятся ниже перегиба ха-
рактеристик намагничивания (в области малых индукций), то наиболь-
шее значение тока небаланса определяют по формуле
В тех случаях, когда отсутствуют данные по реальным характеристи-
кам намагничивания трансформаторов тока, наибольшее значение тока
небаланса /нб вычисляют по выражению
Г =к J ,
нбтах нб max ’
где — коэффициент небаланса;
/тах — наибольшее значение расчетного фазного тока защищаемой линии
в режиме без 033.
Значение &нб принимают в зависимости от отношения Zmax //т ном,
где /т ном — номинальный первичный ток трансформаторов тока. Если
72
отношение /тах //т ном не превышает значений от 2 до 3, то принимают
£нб=0,05, если же отношение превышает эти значения, то &нб = 0,1.
Кабельные трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП)
выполняются в виде кольцевого магнитопровода 1 (рис. 2.20, а), на ко-
тором размещена вторичная обмотка 2. Первичной обмоткой является
трехфазный кабель 5, который пропущен внутри кольца магнитопрово-
да. К выводам вторичной обмотки подключают чувствительное токовое
реле КА (рис. 2.20, б).
о
От источника
переменного тока
о
ТТНП
Рис. 2.20. Трансформатор тока нулевой последовательности:
а, б — конструкция; в, г, д — схемы подключения реле КА к ТТНП; е — схема
проверки реле совместно с ТТНП
73
При нормальном режиме работы и мсждуфазных коротких замыка-
ниях результирующий магнитный поток вокруг кабеля обусловлен лишь
нссиммстрисй расположения его токовсдущих жил, поэтому вторичная
ЭДС ТТНП примерно равна нулю. При замыкании одной фазы на зем-
лю возникает ток нулевой последовательности + 1В + 1С = 37^. Этот
ток создает вокруг кабеля и в магнитопроводс соответствующий маг-
нитный поток, благодаря которому во вторичной обмотке появляется
ЭДС и ток в реле, вызывающий срабатывание защиты.
По металлической оболочке кабеля 3 могут протекать токи замыка-
ния на землю других кабелей. Для того, чтобы они не вызвали ложной
работы защиты, в месте закрепления концевой муфты 4 (см. рис. 2.20, б)
установлены изолирующие прокладки 5. К корпусу муфты приварива-
ют заземляющий проводник 6, который вместе с кабелем пропускают
внутри кольца магнитопровода. В этом случае результирующий магнит-
ный поток от тока, протекающего по оболочке кабеля к корпусу муфты
и от него обратно по заземляющему проводнику в землю, в магнито-
проводе равен нулю.
Выпускают ТТНП типов ТЗЛМ, ТЗРЛ, ТЗЛЭ и др. Буква Р в обозна-
чении типа означает, что магнитопровод разъемный. В связи с малой
мощностью ТТНП к его выводам подключают реле КА повышенной
чувствительности (PT-40/02, PT-140/02, РТЗ-51 и др.). В направленных
защитах нулевой последовательности вместо реле тока КА во вторич-
ную цепь ТТНП включают токовый вход специального реле направле-
ния мощности (ЗЗП-1, ЗЗН и др.), выполненного на основе электрони-
ки или микропроцессорной техники. ТТНП типа ТЗЛ-105.1 и ТЗЛК-
05.01 снабжены дополнительной вторичной обмоткой (выводы 2И1 и
2И2) для проверки функционирования защиты.
На рис. 2.20, в приведена схема подключения реле КА к ТТНП для
кабельной линии, состоящей из одного кабеля. Если эта линия состоит
из нескольких параллельно соединенных кабелей, то ТТНП могут вклю-
чаться параллельно (рис. 2.20, г) либо последовательно (рис. 2.20, д).
Используют то подключение, которое обеспечивает в каждом конкрет-
ном случае наибольшую чувствительность.
Для применения ТТНП на ВЛ необходима кабельная вставка.
ТТНП обладают конечной чувствительностью и при малых токах за-
мыкания на землю реле КА не срабатывает. Минимальное значение тока
срабатывания 70 cpmjn для конкретных типов ТТНП и реле КА соответ-
ствует так называемой чувствительности защиты по первичному току.
74
Эти значения, установленные заводом-изготовителем и входящие в пас-
портные данные ТТНП, приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Тип ТТНП Тип реле тока Уставка реле Чувствительность защиты/0>cpmin по пер- вичному току, не более, А, при числе ТТНП и их соединении
1 последовательное параллельное
2 3 4 2 3 4
ТЗЛМ-1 РТ-40/0,2 0,1 8,5 10,2 12,5
0,03 2,3 3,2 4,8
ТЗ Л-105.1 РТЗ-51 0,122 7,0 7,5 8,0 9,0 12,0 15,5 18,5
0,02 1,5 1,5 2,0 2,2 2,0 2,5 2,8
ТЗРЛ РТ-140/0,2 0,1 25 30 45 "|И,—11
РТЗ-51 0,03 3 4 — — 4,5 — —
ТЗЛЭ-125 РТЗ-51 0,032 2,8 3,2 — — 4,8 —
ТЗЛ-200 РТЗ-51 0,03 2,8 — — — — —
ТЗЛК- 05.1 РТ-140/0,2 0,1 3,9 — 11 1 — — —
РТЗ-51 0,122 2,9 — — — — — —
0,03 0,8
При несимметричном расположении кабеля в окне ТТНП во вто-
ричной обмотке появляется ток небаланса 7нб в нормальном режиме
при отсутствии 033. При междуфазных коротких замыканиях или при
большой нагрузке ток небаланса возрастает и может вызвать ложное
срабатывание реле КА.
Для снижения токов небаланса необходимо использовать кабель,
имеющий защитную стальную оболочку (броню). При применении
ТТНП на кабеле без защитной стальной оболочки необходимо на кабе-
ле расположить в месте установки ТТНП экран из куска жести в один
слой, выравнивающий поля токов трех фаз присоединения. Длина эк-
рана по обе стороны от ТТНП должна быть не менее 1,5 м.
Наибольшее значение тока небаланса /нб гаах для каждого конкрет-
ного фидера действующей установки можно определять следующим об-
разом. Последовательно с реле КА (или входной цепью реле направления
мощности) включается миллиамперметр с внутренним сопротивлением
во много раз меньшим, чем входное сопротивление реле (рис. 2.20, ё).
Фиксируются измеренные показания миллиамперметра /из при извест-
ной нагрузке 7ф данного фидера. Наибольшее значение тока небаланса,
приведенное к первичной обмотке ТТНП, вычисляют по формуле
75
где /нб max — наибольшее значение тока небаланса в расчетном режиме при
токе /расч , А,
/из — измеренное значение тока небаланса во вторичной обмотке ТТНП, мА;
/ф — ток фидера, при котором измерялось значение /из, А;
7расч — ток фидера в расчетном режиме, А;
— коэффициент трансформации ТТНП.
В качестве тока /расч расчетного режима принимают наибольшее зна-
чение тока двухфазного короткого замыкания IK тах на данном присо-
единении. В отдельных случаях, когда не удается отстроить защиту ну-
левой последовательности от этого режима, допускается принимать
/расч “ ^/н,тах’ где 4i,max “ максимальный ток нормального режима;
к3 — коэффициент запаса (от 2 до 3). Однако в последнем случае возможно
ложное срабатывание защиты при междуфазных коротких замыканиях.
Значения коэффициента трансформации ддя ТТНП разных ти-
пов приведены в табл. 2.5.
Таблица 2,5
Тип ТТНП ТЗЛМ-1, ТЗЛ-105.1, ТЗЛК-05.1 ТЗРЛ, ТЗЛЭ-125 ТЗЛ-200
Коэффициент транс- формации Кт 25/1 30/1 60/1
При малых первичных токах погрешность ТТНП и коэффициент
трансформации могут значительно отличаться от данных каталога.
Реальное значение тока небаланса для ТТНП на действующей уста-
новке можно определить следующим образом. В разрыв заземляющего
проводника 6 (см. рис. 2.20, 6) включают источник однофазного пере-
менного тока, а последовательно с реле КА — миллиамперметр с внут-
ренним сопротивлением во много раз меньшим, чем входное сопротив-
ление реле (см. рис. 2.20, е). Коэффициент трансформации опреде-
ляется как отношение тока /зп, А, в заземляющем проводнике к току
/из, А, измеренному миллиамперметром. При этом значение тока в за-
земляющем проводнике должно быть не менее (0,05—0,1)/расч. Если
длительное протекание такого тока опасно для заземляющего провод-
ника 6 по условиям нагрева, то продолжительность протекания тока
следует ограничить во времени (до единиц секунд), а измерения произ-
водить фиксирующими приборами.
Трансформаторные фильтры напряжений нулевой последовательности
(ФННП) состоят из специальных трансформаторов напряжения с трех-
фазными первичными обмотками, нулевые точки Nкоторых присоеди-
няются к контуру заземления, и с двумя трехфазными вторичными об-
мотками (рис. 2.21, а). Одна из трехфазных вторичных обмоток соеди-
нена в звезду с выведенной нулевой точкой (выводы а, Ь, с, п). Она
используется для подключения измерительных приборов контроля ли-
нейных и фазных напряжений, а также цепей напряжения релейной за-
щиты. Другая трехфазная вторичная обмотка (выводы al— xl) соедине-
на в разомкнутый треугольник, образующий фильтр напряжений нуле-
вой последовательности. Эта обмотка используется для подключения
специальных защит от однофазных замыканий на землю. Схема соеди-
нений обмоток для пятистержневого измерительного трансформатора
напряжения НТМИ приведена на рис. 2.21, а.
В нормальном режиме напряжения на вторичных обмотках разомк-
нутого треугольника суммируются и так как векторы этих напряжений
сдвинуты на 120°, то напряжение между точками al и xl должно быть
равно нулю. В действительности на этих зажимах имеется напряжение
небаланса С7нб.
К выводам al и xl подключают защиту от однофазных замыканий
на землю, например реле максимального напряжения с уставкой выше
напряжения небаланса /7нб, поэтому при отсутствии 033 реле не сра-
батывает.
При «глухом» замыкании на землю одной из фаз (А, В или Q элект-
роустановки система становится несимметричной. Для того чтобы вы-
делить составляющие напряжений нулевой последовательности, нуле-
вую точку Nпервичной обмотки трансформатора напряжения заземля-
ют. При этом составляющие нулевой последовательности суммируются
в разомкнутом треугольнике и напряжение в точках al и xl возрастает
примерно до 100 В. Реле максимального напряжения, подключенное к
выводам al— xl, срабатывает и подает сигнал о возникновении 033 или
команду на отключение питания.
Для того чтобы напряжение на реле не превышало 100 В, коэффи-
циент трансформации для обмоток, соединенных в разомкнутый тре-
угольник, выполняется в >/3 раз более высоким, чем номинальный
коэффициент трансформации Кц для вторичных обмоток, соединен-
ных в звезду.
77
a
Рис. 2.21. Схемы соединения обмоток трансформатора НТМИ (а) антирезо-
нансного трансформатора НАМИ (б) и заземляемых трансформаторов ЗНОЛ
трехфазную антирезонансную группу (в)
78
В сетях с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю
может возникнуть перемежающаяся электрическая дуга. При этом воз-
можно повреждение трансформаторов НТМИ из-за появления ферро-
резонансных явлений, которые сопровождаются протеканием по их пер-
вичным обмоткам токов, во много раз превышающих номинальные зна-
чения. По этой причине в таких сетях трансформаторы НТМИ заменяют
на антирезонансные масляные измерительные трансформаторы НАМИ
(рис. 2.21, б). Эти трансформаторы выполнены в виде единой конструк-
ции, содержащей два самостоятельных магнитопровода. Две первичных
обмотки одного из них соединены в открытый треугольник и подклю-
чены к линейным напряжениям и сети. Другой магнитопро-
вод имеет одну первичную обмотку, подключаемую выводом А к фазе В,
а выводом X — к контуру заземления. Три дополнительные вторичные
обмотки (Од, хд) соединены в разомкнутый треугольник.
В качестве фильтра напряжений нулевой последовательности мож-
но также использовать группу, состоящую из трех однофазных транс-
форматоров напряжения. На рис. 2.21, в приведен пример соединения
обмоток такой антирезонансной группы, составленной из безмасляных
заземляемых трансформаторов напряжения ЗНОЛ с литой изоляцией,
выводы 2Гпервичных обмоток которых соединены между собой и через
резисторы Яд (от 1 до 3 кОм) присоединены к контуру заземления, а
вторичные дополнительные обмотки (дд, хд) соединены в разомкнутый
треугольник.
При сгорании одного из предохранителей в цепи присоединения
первичных обмоток трансформаторного ФННП к шинам защита по
напряжению нулевой последовательности может работать неправильно
и отключать защищаемое присоединение при отсутствии 033. Для бло-
кирования защиты, реагирующей на напряжение нулевой последова-
тельности, в таких случаях можно предусмотреть реле максимального
напряжения обратной последовательности, подключаемое ко вторич-
ной обмотке, соединенной в звезду того же трансформатора напряже-
ния. При подключении трансформаторного ФННП к шинам без пре-
дохранителей такая блокировка не нужна.
На выводах al— xl вторичной обмотки трансформаторного ФННП
даже при отсутствии 033 всегда присутствует напряжение небаланса,
от которого защиту, реагирующую на напряжения нулевой последова-
тельности, надо отстраивать. Напряжение небаланса (7нб можно пред-
ставить в виде двух составляющих С/нб = £7нб1 + Составляющая
79
C/H6i обусловлена погрешностью трансформатора напряжения (можно
принять, что во всех режимах эта погрешность соответствует классу 3),
нссимметрисй емкостей фаз ВЛ относительно земли, несиммстрией
нагрузок фаз (особенно для ВЛ СЦБ), наличием в кривой питающего
напряжения высших гармоник.
Как правило, предварительные данные о каждой причине образова-
ния С7нб1 заранее отсутствуют, поэтому принято считать £/нб1 равным от
3 до 9 В. В эксплуатации эти значения могут быть уточнены.
Составляющая £/нб2 обусловлена электромагнитным влиянием кон-
тактной сети на воздушную линию, проложенную на опорах контакт-
ной сети или проходящую вблизи и вдоль электрифицированной же-
лезной дороги. Это влияние может оказаться настолько большим, что
составляющая (7нб2 будет иметь значение существенно больше состав-
ляющей t/H6j и защита не обеспечит нормативные значения коэффи-
циента чувствительности.
В общем случае составляющие (7нб1 и (7нб2 могут и не совпадать по
фазе, однако, для большего обеспечения надежности их суммирование
осуществляется по абсолютным значениям. Методика определения со-
ставляющей С/нб2 и меры по ее снижению описаны в п. 11.3.
Частотным электрическим фильтром называют четырехполюсник,
пропускающий токи в определенной полосе частот с небольшим зату-
ханием (полоса пропускания) и не пропускающим (или пропускающим
с большим затуханием) токи с частотами, лежащими вне этой полосы
[2, 23, 63, 64J. Частота, лежащая на границе полос пропускания и не-
пропускания носит название частоты среза fc. Собственное затухание в
фильтре на заданной частоте определяется выражениями:
(Нп);
(2.23)
ЛдБ=1018
= 201g
= 20,g7- (дБ),
2
(2.23')
где Pj, Ц, Ц — соответственно мощность, напряжение и ток на входе фильтра;
Р2> &2’ h то же на вых°Де фильтра (1дБ = 0,115 Нп, 1Нп = 8,68 дБ).
Фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают токи с частотами от 0
до fc, фильтры верхних частот (ФВЧ) пропускают токи от частоты^ до
80
Рис. 2.22. Схемы пассивных LC- фильтров и примерный вид характеристик их
собственного затухания
бесконечности. Полосовые фильтры (ПФ) пропускают токи в полосе час-
тот от Д до^. Активными называют фильтры, содержащие внутри схе-
мы усилители; у пассивных фильтров источники энергии отсутствуют.
На рис.2.22 приведены примеры некоторых схем пассивных фильтров
нижних частот (а), верхних частот (б), полосового (я) и заграждающего
(г) фильтров и соответственно примерный вид зависимостей собствен-
ного затухания фильтра от частоты входного электрического сигнала.
Для увеличения затухания в полосе пропускания и крутизны харак-
теристики затухания LC-фильтры могут составляться из многих звень-
ев, образуя цепочечные фильтры. Наряду с этим в простейших случаях
могут использоваться последовательные или параллельные цепочки,
состоящие из одной катушки индуктивности с как можно меньшим ак-
тивным сопротивлением и конденсатора (рис. 2.23). В этом случае час-
тота свободных колебаний контура близка к резонансной частоте
2
о)0 =1/(£С), при которой сопротивление последовательной LC-цепоч-
ки (см. рис. 2.23, а) равно ее активному со-
противлению и весьма мало. При частоте
со < со0 сопротивление контура имеет емкост-
ный характер, а при со > со0 — индуктивный.
Чем больше со отличается от со0, тем выше со-
противление контура.
При той же резонансной частоте со0 про-
водимость параллельного контура (рис. 2.23, б)
близка к нулю. Для частот со < со0 проводи-
мость контура имеет индуктивный характер,
Рис. 2.23. Резонансные
цепочки
81
а для частот со > соо — емкостный. Сопротивление параллельного конту-
ра при резонансной частоте стремится к бесконечности.
На рис. 2.24 приведены схемы для выделения какой-либо одной, на-
пример третьей, гармоники тока контактной сети электрифицирован-
ной железной дороги однофазного переменного тока. К трансформа-
тору тока фидера подключен промежуточный трансформатор TL. Па-
раллельно его вторичной обмотке подключен параллельный LC-контур,
настроенный на заданную частоту. Сопротивление контура при задан-
ной (резонансной) частоте весьма велико, и гармоника тока, соответ-
ствующая этой частоте, проходит в нагрузку практически без затухания.
На других частотах сопротивление контура мало, и гармоники этих час-
тот большей частью ответвляются в него. Доля этих гармоник в нагрузке
невелика. Для снижения, например первой гармоники, в нагрузке мож-
но параллельный LC-контур (рис. 2.24, а) зашунтировать последователь-
ной LC-цепочкой, показанной на рис. 2.23, а, настроенной в резонанс на
частоту первой гармоники. В схемах, приведенных на рис. 2.24, б, в, роль
индуктивности L выполняет промежуточный трансформатор TL.
Качество частотных фильтров, состоящих из индуктивностей и емко-
стей, во многом определяется их добротностью, под которой подразуме-
вают отношение реактивной мощности к активной Ра, выделяющейся
на элементе, и обозначается Q = Р^/Р^ Схема замещения катушки ин-
дуктивности представляется в виде последовательно соединенных сопро-
тивления и индуктивности L. Добротность катушки
Ql
со£
rL
(2.24)
В области низких частот добротность катушки возрастает с увеличени-
ем частоты. Однако в области высоких частот добротность падает из-за су-
а б в
Рис. 2.24. Схемы выделения одной гармоники тока
82
шественного увеличения сопротивления за счет поверхностного эффек-
та в проводе, эффекта близости, потерь в сердечнике и т.п. При некоторой
частоте катушка индуктивности обладает наибольшей добротностью и это
следует учитывать при проектировании. Добротность катушек индуктив-
ности фильтров колеблется от десятков до нескольких сотен.
Схема замещения конденсатора представляется в виде параллельно
соединенных сопротивления и емкости С. Добротность конденсатора
(2.25)
Бумажные конденсаторы имеют добротность 100—200, керамичес-
кие — около 2000, слюдяные — от 2000 до 4000.
Чем ниже добротность фильтра, тем меньше его затухание. Пассив-
ные фильтры имеют невысокую добротность, а из-за наличия катушек
индуктивности и сравнительно большие габариты.
Наряду с LC-фильтрами, особенно в области низких частот, приме-
няются RC-фильтры. На рис. 2.25 приведены некоторые схемы пассив-
ных RC-фильтров нижних (а) и верхних (6) частот, полосового (в) и заг-
раждающего (г) фильтра, называемого также двойным Т-образным мо-
стом. Для увеличения крутизны характеристики затухания показанные
на рис. 2.25 простейшие звенья можно соединять в последовательные
цепочки. RC-цепи не обладают резонансными свойствами, поэтому ха-
рактеристика затухания от частоты имеет весьма незначительную кру-
тизну при отсутствии ярко выраженной полосы пропускания. В этом
отношении RC-фильтры значительно уступают LC-фильтрам. Исклю-
чением является заграждающий RC-фильтр, выполненный по двойной
Т-образной схеме (см. рис. 2.25, г). Кроме того RC-фильтры имеют ог-
раниченный верхний предел рабочих частот.
Рис. 2.25. Схемы пассивных RC-фильтров
83
Значительно лучшими характеристиками обладают активные RC-
фильтры, состоящие из пассивного RC-звена и усилителя, охваченного
отрицательной обратной связью. В электронных устройствах защиты и
автоматики используются активные RC-фильтры с операционными уси-
лителями. В качестве примера на рис. 2.26 приведены некоторые схемы
фильтров нижних (а) и верхних (б) частот, полосового (в) и заграждаю-
щего (г) фильтров. Для улучшения характеристик фильтров, т.е. для уве-
личения затухания в полосе непропускания и увеличения крутизны ха-
рактеристики затухания при изменении частоты активные фильтры
могут быть многозвенными (многокаскадными).
Методика реализации активных RC-фильтров для релейной защиты
описана в [23].
Сглаживающие фильтры предназначены для снижения пульсаций
напряжения. Питание устройств релейной защиты осуществляется от
встроенных выпрямительных блоков. Выпрямленное напряжение со-
держит постоянную Uq и переменную Un составляющие, на основании
которых определяется коэффициент пульсаций = U^/U^. Коэффи-
циент пульсаций обычно двухполупериодного выпрямителя с активной
нагрузкой составляет 0,67. В то же время для нормальной работы элек-
тронных и микроэлектронных схем допустимый коэффициент пульса-
ций должен быть меньше в сотни и тысячи, а то и большее число раз.
Для решения этой задачи и применяют сглаживающие филыпры.
Мерой качества такого фильтра является коэффициент сглаживания
*сгл = *п,вх/*п,вых- гДе *п,вх и *п,вых “ соответственно коэффициенты
пульсаций на входе и выходе фильтра.
Рис. 2.26. Схемы активных RC-филътров
84
Сглаживающие фильтры должны пропускать постоянную составля-
ющую и подавлять пульсации переменной составляющей выпрямлен-
ного тока. Эти фильтры выполняются на основе LC- (см. рис. 2.22, а)
или RC-фильтров нижних частот (см. рис. 2.25, а). Для уменьшения ко-
эффициента пульсаций они могут выполняться многозвенными.
На частоте 50 Гц, однако, более выгодно по массогабаритным показа-
телям использовать транзисторные сглаживающие фильтры, в которых
транзистор по существу выполняет роль индуктивности. Простейший
транзисторный фильтр показан на рис. 2.27, а, а схема выпрямителя с Г-
образным RC-фильтром и транзисторным фильтром, нагруженным на
сопротивление RH, приведена на рис. 2.27, б.
При повышении величины сопротивления коэффициент сглажи-
вания увеличивается, однако при этом возрастают напряжение между
коллектором и эмиттером транзистора и выделяемая на нем потеря мощ-
ности. Значительно больший коэффициент сглаживания может быть
получен, если использовать составные транзисторы, как например по-
казано на рис. 2.28, а. На вход однозвенного фильтра, в том числе и с
составным транзистором, подается выпрямленное напряжение, содер-
жащее постоянную и переменную составляющие. При наличии в схеме
(см. рис. 2.27, а) цепочки RgC6 переменная составляющая выделяется
на резисторе R^, включенном в цепь базы транзистора VT. В этом слу-
чае ток базы практически не содержит переменной составляющей, а сле-
довательно и ток коллектора является почти постоянным. Из-за этого
вся переменная составляющая входного напряжения практически пол-
ностью выделяется на транзисторе. Методика расчета сглаживающих
фильтров приведена в [65].
Рис. 2.27. Схемы однозвенного транзисторного фильтра и его включения в
цепь выпрямителя
85
Рис. 2.28. Схемы транзисторного
фильтра и фильтра-стабилизатора
На рис. 2.28, б приведена схема
транзисторного фильтра-стабилиза-
тора. Она нс только снижает пуль-
сации напряжения на нагрузке RH,
но и стабилизирует его при изме-
нениях величины напряжения на
входе. В схемах защиты и автома-
тики, выполненных на интеграль-
ных микросхемах, применяются
интегральные стабилизаторы на-
пряжения, выполняющие одно-
временно и роль сглаживающих
фильтров. Например, интеграль-
ный стабилизатор напряжения се-
рии К142 имеет коэффициент
сглаживания Ксгп равный пример-
но 32 [66]. Дополнительное увели-
чение коэффициента сглаживания
обеспечивается Г-образным RC-
фильтром (см. рис. 2.27, б).
2.9. Источники оперативного питания
При срабатывании релейной защиты она подключает источник опе-
ративного питания к катушке (соленоиду, электромагниту) отключения
привода высоковольтного выключателя. Ток, протекая по этой катуш-
ке, приводит в действие соответствующий электромагнитный механизм,
и выключатель отключается. Величина тока в катушке отключения дос-
тигает для некоторых приводов 5 и 10 А при напряжении 220 и 110 В
соответственно. Для работы самой релейной защиты, особенно с при-
менением полупроводников и микроэлектроники, также необходимо
напряжение питания, которое обеспечивается тем же или отдельным
источником оперативного питания.
Особые требования к безотказности работы релейной защиты рас-
пространяются и на источники ее питания. Защита должна срабатывать
и обеспечивать подачу напряжения на катушку отключения выключа-
теля даже в том случае, если исчезает напряжение на трансформаторах
собственных нужд электростанции или подстанции. Например, при
86
трехфазном коротком замыкании на шинах высшего напряжения тяго-
вой подстанции напряжение на вводах падает практически до нуля и
все трансформаторы собственных нужд оказываются обесточенными.
Вне зависимости от этого соответствующая защита должна сработать и
отключить выключатели ввода.
В качестве источника оперативного тока могут использоваться ак-
кумуляторные батареи (постоянный оперативный ток) —- это самый на-
дежный источник. Источниками переменного оперативного тока могут
быть трансформаторы тока того присоединения, который защищает
данная защита. Источник выпрямленного оперативного тока выполня-
ется в виде специального блока питания, подключаемого к трансфор-
матору тока, трансформатору напряжения либо к трансформатору соб-
ственных нужд. Наконец, в некоторых случаях возможно применение
конденсаторных батарей, которые заряжаются в нормальном режиме и
отдают энергию катушкам отключения выключателей при срабатыва-
нии релейной защиты.
Источник постоянного оперативного питания в виде аккумулятор-
ной батареи требует специального отапливаемого и вентилируемого
помещения, нуждается в зарядных и подзарядных устройствах, требует
квалифицированного обслуживания. Из-за больших капиталовложений
и трудозатрат аккумуляторные батареи в качестве источника оператив-
ного питания используются только на электростанциях, распределитель-
ных подстанциях с первичным напряжением 110—220 кВ и выше с не-
сколькими вводами или отходящими линиями высшего напряжения, а
также на тяговых подстанциях.
На понизительных и менее ответственных подстанциях более низ-
кого напряжения аккумуляторные батареи не устанавливают. Если при-
вод выключателя не требует для отключения большой мощности, то
применяют переменный оперативный ток от трансформаторов тока с
дешунтированием катушки отключения (рис. 2.29). Реле тока КА под-
ключено ко вторичной цепи трансформатора тока ТА через свой пере-
ключающий контакт. При срабатывании реле его контакт переключается
и обмотки реле КА оказываются включены последовательно с катушкой
отключения YAT выключателя Q. Вторичный ток трансформатора тока
ТА протекает через реле КА и катушку YAT, обеспечивая отключение вык-
лючателя Q.
Схема с дешунтированием требует выполнения некоторых специаль-
ных условий. Во-первых, катушка отключения привода YAT выключа-
87
Рис. 2.29. Схема с дешунтированием
катушки отключения выключателя
теля Q не должна потреблять при
срабатывании мощность более 50
ВА. Во-вторых, переключающий
контакт реле должен быть усилен-
ным и способным шунтировать и де-
шунтировать управляемую токовую
цепь при токах до 150 А. В-третьих,
этот контакт должен быть выполнен
так, чтобы при его переключении
сначала замыкался замыкающий
(верхний на рис. 2.29) и лишь потом
размыкался размыкающий (нижний на рис. 2.29) контакт. Такими контак-
тами снабжаются некоторые токовые реле серии PT-80 (PT-85, РТ-86).
После дешунтирования катушки отключения YAT в результате сра-
батывания реле КА резко возрастает нагрузка на трансформатор тока,
увеличивается его погрешность, из-за чего может произойти возврат реле
и отказ защиты. Чтобы этого не произошло, необходимо при расчете
схемы проверять коэффициент чувствительности для короткого замы-
кания в конце зоны защиты с учетом погрешности трансформаторов
тока при дешунтировании и достаточность величины вторичного тока
трансформатора тока для катушки отключения YAT, а также допусти-
мость для контактов реле КА максимального тока при коротком замы-
кании вблизи места установки защиты [24].
Для оперативного питания более сложных защит и устройств авто-
матики, а также для заряда конденсаторных батарей используются блоки
питания UGA, подключаемые к трансформаторам тока (рис. 2.30, я), и
UGV, подключаемые к трансформаторам напряжения TV или транс-
форматорам собственных нужд Т (рис. 2.30, б). Дргя надежности блоки пи-
тания UGA и UGV можно использовать совместно и подключать их выхо-
ды на одни и тс же шины выпрямленного напряжения (рис. 2.30, в, г).
В качестве примера на рис. 2.31 приведена схема блока питания и за-
ряда БПЗ-402. Этот блок содержит промежуточный насыщающийся
трансформатор тока TLAT, первичная обмотка которого подключается
ко вторичной цепи трансформатора тока. К вторичной обмотке TLAT
подключен выпрямитель VD1, выпрямленное напряжение которого
поступает в цепи релейной защиты и автоматики. К нему же можно под-
ключать (через резистор R и диод VD2) зарядную цепь батареи конден-
саторов С2. Диод VD2 предотвращает разряд конденсаторов С2 при
88
Рис. 2.30. Схемы подключения блоков питания
уменьшении или исчезновении тока в первичной обмотке TLAT. Об-
мотка насыщающего трансформатора TLAT вместе с конденсатором С1
образует контур, в котором при определенном значении тока первич-
ной обмотки наступает феррорезонанс токов [2]. При этом напряжение
на вторичной обмотке в известной мере стабилизируется и мало возра-
стает при значительных увели-
чениях тока на входе.
Блок питания и заряда БПЗ-401
предназначен для подключения
во вторичные цепи трансформа-
тора напряжения или трансфор-
матора собственных нужд. В от-
личие от блока БПЗ-402 в блоке
БПЗ-401 не предусмотрена ста-
билизация выходного напряже-
Рис. 2.31. Схема блока питания и заряда
БПЗ-402
89
ния. Блоки БПЗ-401 и БПЗ-402 имеют мощность до 240 Вт и могут за-
ряжать батареи конденсаторов емкостью до нескольких тысяч микро-
фарад. Выходное напряжение блоков 110 или 220 В. Близки по конст-
рукции к ним менее мощные (100 Вт) блоки питания серии БП-11 (БПТ-
11 и БПН-11) с длительной мощностью до 20 Вт и наибольшей
кратковременной до 40-50 Вт. Выходное напряжение 24 В или 110 В.
Для питания нагрузки мощностью до 1—1,5 кВт применяют блоки пи-
тания серии БП-1002 (БПТ-1002 и БПН-1002) [67].
Все блоки конденсаторов серии БК-400 предназначены для исполь-
зования в схемах с предварительным зарядом конденсаторов. Они мо-
гут подключаться к любым зарядным устройствам с напряжением до 400 В.
В блоках используются мсталлобумажныс конденсаторы типа МБГП
общей емкостью 40, 80 или 200 мкФ.
Конструкция блоков питания постоянно совершенствуется. В пос-
ледние годы появились более совершенные устройства, в частности блок
питания комбинированный БПК-3(4) — модернизированный вариант
блока БПК-1(2), который выпускался до 2002 г. Блок обеспечивает уст-
ройства РЗА выпрямленным током как в нормальных, так и в аварий-
ных режимах работы электрических сетей при межфазных коротких за-
мыканиях защищаемого присоединения, сопровождаемых снижением
напряжения, а также при двойных замыканиях на землю. БПК-4, кро-
ме питания устройств РЗА, может использоваться для заряда внешних
конденсаторных батарей, применяемых в составе выключателей, корот-
козамыкателей или отделителей с легкими приводами, а также для сиг-
нализации о наличии заряда конденсаторной батареи.
Блок БПК-3(4) предназначен для питания выпрямленным оператив-
ным током цифровых устройств релейной защиты и автоматики (ЦРЗА),
установленных в комплектных распределительных устройствах (КРУ)
без постоянного или выпрямленного оперативного тока (в электричес-
ких сетях 6-10 кВ). Блок может использоваться для питания различных
устройств РЗА, а также цепей автоматики и сигнализации КРУ. Его от-
личительными особенностями являются повышенные эксплуатацион-
ные характеристики по сравнению с известными источниками питания
БПТ-11, БПН-11, БПЗ-4ОЗ, БПК-1(2), а также отсутствие потребления
мощности по токовому входу при наличии напряжений питания.
Блок БПК-3(4) обеспечивает также заряд внешних конденсаторных
батарей выпрямленным током (ограниченной величины) до номиналь-
ного значения напряжения 400 В. Возможно подключение нескольких
90
a
б
Контроль
заряда
Рис. 2.32. Схемы подключения блока БПК-3(4) к источникам
напряжения 220 В (о) и 110 В (б)
конденсаторных батарей с общей емкостью до 1000 мкФ. При сниже-
нии напряжения питания ниже 60 % от его номинального значения ис-
пользуется питание от трансформаторов тока в диапазоне входного тока
от 5 до 150 А.
Схемы подключения БПК-3(4) к источникам напряжения приведе-
ны на рис. 2.32, а, б. Возможно подключение на один вход источника
100 В, а на другой — 220 В. Номинальное входное напряжение и вып-
рямленное выходное напряжение одинаковы и равны 100 или 220 В.
Выходная мощность при номинальном напряжении — 60 Вт, при вход-
ном токе 5 А — 18 Вт, 15 А — 80 Вт.
Глава 3. РЕЛЕ
3.1. Классификация реле
Релейная защита состоит из ряда самостоятельных элементов (реле),
связанных определенным образом. На вход реле может быть подан не-
прерывный или дискретный сигнал (ток, напряжение, давление газов,
температура и т.п.). На выходе же сигнал появится только в том случае,
когда входной сигнал удовлетворяет определенным, наперед заданным
условиям (достигает уставки).
Воспринимающий орган (вход) электромеханических реле выполнен в
виде катушки электромагнитного, индукционного, электродинамичес-
кого, индукционно-динамического или магнитоэлектрического меха-
низма. Исполнительный орган (выход) выполняется в виде электрических
контактов. У электронных реле входной сигнал подается на первичные
катушки (обмотки) магнитных сердечников с прямоугольной петлей
гистерезиса, на полупроводниковые схемы сравнения электрических
величин или на управляющие электроды активных полупроводниковых
элементов (транзисторов, тиристоров, интегральных микросхем). Ис-
полнительный орган может быть выполнен в виде контактов электро-
магнитных, магнитоэлектрических, поляризованных реле или магни-
тоуправляемых контактов -- герконов, либо с помощью бескон-
тактных элементов — транзисторов и тиристоров. При срабатывании
реле с контактами последние замыкаются или размыкаются; в случае
срабатывания бесконтактных реле меняется скачком выходной сигнал,
например ток в цепи или напряжение.
По назначению реле подразделяют на измерительные (основные) и
логические (вспомогательные). Измерительные реле контролируют ре-
жим работы защищаемого объекта. По роду контролируемой величины
их делят на реле тока, напряжения, направления мощности, сопротив-
ления и т.п. Реле могут контролировать и неэлектрические величины,
например температуру масла трансформаторов (температурные реле),
давление газов (газовые реле) и т.п. К измерительным реле предъявля-
92
ют повышенные требования по чувствительности, точности работы,
коэффициенту возврата, электропотреблению.
Логические реле действуют по команде измерительных и использу-
ются в логической части схемы. К ним относятся реле времени (служат
для замедления действия защиты), промежуточные (для передачи дей-
ствия основных реле к отключающему механизму выключателя, для раз-
множения сигнала на несколько цепей, для усиления мощности сигна-
ла основных реле) и указательные реле (для сигнализации и фиксации
действия защиты).
В электронных, микроэлектронных и микропроцессорных {цифровых)
реле (защитах) измерительные и логические органы объединены конст-
руктивно или программно.
По способу включения воспринимающего органа измерительные реле
делят на первичные и вторичные. Катушки первичных реле включают
непосредственно в защищаемую цепь, а вторичных — во вторичные об-
мотки измерительных трансформаторов.
По способу воздействия на объект управления различают реле пря-
мого и косвенного действия. Реле прямого действия имеют подвижную
систему, механически связанную с отключающим механизмом выклю-
чателя. Реле косвенного действия имеют контакты (или бесконтактный
ключ), включенные в цепь катушки механизма отключения выключа-
теля. Для питания этой катушки необходим источник оперативного по-
стоянного или переменного тока.
Первичные реле прямого действия не нуждаются в измерительных
трансформаторах и источнике оперативного тока. Однако в установках
высокого напряжения они требуют усиленной изоляции, оказываются
громоздкими и имеют низкую чувствительность. Такие реле находят при-
менение, главным образом, в установках с напряжением менее 1000 В.
В системах электроснабжения тяги на железных дорогах, метро, на го-
родском электрическом транспорте постоянного тока в качестве комму-
тационных аппаратов на тяговых подстанциях и постах секционирова-
ния используются поляризованные быстродействующие выключатели
(АБ 2/4, ВАБ 43 и др.). В их конструкции объединены реле максимально-
го тока прямого действия и коммутационный аппарат [3, 68].
Вторичные реле прямого действия компактнее, чем первичные, и
имеют более высокую чувствительность. Для них не требуется источник
оперативного тока. Катушка 1 такого реле (рис. 3.1) подключена ко вто-
ричной обмотке трансформатора тока ТА. При увеличении тока в реле
93
Рис. 3.1. Схема подключения вторич-
ных реле прямого действия
до уставки якорь 2 электромаг-
нита отключения YAT преодоле-
вает натяжение пружины 5 и
бойком 3 ударяет по защелке 4.
Защелка освобождает механизм
привода выключателя Q, и пру-
жина G его отключает.
Исполнительный орган реле
прямого действия, непосред-
ственно связанный с механиз-
мом отключения выключателя
Q, должен совершать при отклю-
чении существенную механичес-
кую работу. Поэтому такие реле потребляют при срабатывании большую
мощность и имеют значительные погрешности. Вторичные реле прямого
действия применяют в защитах мало ответственных линий 6—35 кВ, вык-
лючатели которых оборудованы приводами ПП-61-К, ПП-67, УПГП,
ППМ-10 и др.
Наибольшее распространение в релейной защите получили вторич-
ные реле косвенного действия (рис. 3.2). При достижении током в ка-
тушке реле КА значения уставки срабатывания его контакты замыка-
ются и включают в цепь оперативного тока катушку 1 электромагнита
отключения YAT. Сердечник последнего преодолевает натяжение пру-
Рис. 3.2.Схема подключения вторичных
реле косвенного действия
жины 2 и ударяет по защелке 3.
Выключатель Q отключается.
Ток во вторичной обмотке
трансформатора тока ТА исче-
зает, и реле КА возвращается в
исходное состояние — его кон-
такты размыкаются. Чтобы эти
маломощные контакты не по-
вреждались электрической ду-
гой при отключении активно-
индуктивной цепи электромаг-
нита YAT, в цепь катушки 1
включены вспомогательные
контакты 4 выключателя. Эти
контакты механически связаны
94
с основными контактами выключателя Q и повторяют его положение; они
достаточно мощные и отключаются раньше контактов реле КА.
Параметры вторичных реле косвенного действия не зависят от пара-
метров защищаемого элемента и конструкции привода выключателя.
Их исполнительные органы (контакты или бесконтактные ключи) не
требуют такой большой мощности для срабатывания, как у реле прямо-
го действия. Они более компактны и просты по конструкции, имеют
высокую чувствительность, незначительные погрешности и легко регу-
лируются.
По конструкции и принципу действия реле делят на электромехани-
ческие, электронные (полупроводниковые) и реле с использованием
насыщающихся магнитных элементов. Наибольшее распространение
получили электромеханические реле, выполняемые на основе электро-
магнитных, индукционных, поляризованных и магнитоэлектрических
систем. Однако они обладают рядом недостатков, например, значитель-
ным электропотреблением, недостаточной надежностью контактов,
невысоким быстродействием и т.д.
В последние годы все большее применение находят полупроводнико-
вые реле с использованием диодов, транзисторов, тиристоров, оптронов,
а также интегральных микросхем.
По числу подведенных электрических величин различают реле, реаги-
рующие:
• на одну электрическую величину — ток или напряжение (реле тока,
реле напряжения);
• на две электрические величины — ток и напряжение или два на-
пряжения, сформированных из тока и напряжения сети (реле направ-
ления мощности, реле сопротивления);
• на три и более электрические величины, сформированные из тока
и напряжения сети (трехфазные реле мощности, реле сопротивления со
сложными характеристиками и т.п.).
У каждого реле воспринимающий орган характеризуется номи-
нальными током, напряжением, частотой и пределами регулирова-
ния уставки.
Пусть к реле подводится некоторая электрическая величина А (ток,
напряжение). Максимальное реле срабатывает, если эта величина станет
больше определенного значения Лср (Л> Лср), которое называется пара-
метром срабатывания или уставкой. Возврат максимального реле в ис-
ходное состояние происходит, если величина А станет ниже определен-
95
ного значения Лвр (А < Лвр), называемого параметром возврата. Мини-
мальное реле срабатывает, если А < Лср, и возвращается в исходное со-
стояние при А > Лвр. Коэффициентом возврата kQ называется отноше-
ние параметра возврата к параметру срабатывания:
к =А /А .
в вр' ср
(3.1)
Для максимальных реле кв < 1, для минимальных реле кв > 1. Нера-
венство параметров срабатывания и возврата обусловлено различием
воздушных зазоров магнитных систем в притянутом и отпущенном со-
стоянии, наличием трения в подвижных частях, наличием положитель-
ной обратной связи в электронных системах и т.д. У измерительных реле
стремятся иметь коэффициент возврата близким к единице — это по-
вышает чувствительность защиты: для электромеханических реле тока
и напряжения он равен 0,8—0,85, для электронных — 0,9—0,98.
Логические реле управляются измерительными. Напряжение на их
воспринимающем органе появляется и исчезает скачком. Поэтому они
не обладают высокой чувствительностью, а их коэффициент возврата
равен 0,3—0,5.
Время срабатывания электромеханических реле тем меньше, чем
больше контролируемая величина А отличается от Лср. Для максималъ-
ных реле тока, например, время срабатывания при 1,2 /ср равно 0,1 с,
а при 3/ср снижается до 0,03 с. У электронных реле время срабатывания
меньше и слабо зависит от превышения уставки.
Воспринимающий орган реле характеризуется нагревостойкостъю,
т.е. значениями тока или напряжения, которые допускаются длительно
или кратковременно. Важно и значение мощности, которую реле потреб-
ляет во входных цепях переменного тока и напряжения и в цепях опера-
тивного (постоянного или переменного) напряжения питания (соб-
ственное электропотребление). Эта мощность определяется как произ-
ведение тока на напряжение на соответствующих зажимах реле.
Электромеханические реле в зависимости от конструкции потребляют в
цепях тока 0,5—5 ВА и в цепях напряжения 1—40 ВА. Электронные реле
в цепях тока и напряжения имеют собственное потребление на порядок
ниже. В цепях оперативного питания они потребляют от 3 до 10 ВА.
Контактная система электромеханических реле и выходной орган
электронных реле характеризуются числом контактов (выходов), их нор-
мальным положением и коммутационной способностью.
96
Промежуточные реле имеют до десятка мощных контактов. У изме-
рительных реле число контактов, их масса, а, следовательно, и комму-
тационная способность невелики. Это обусловлено необходимостью
обеспечения высокой чувствительности реле и близкого к единице ко-
эффициента возврата. Обычно они имеют 1—2 контакта, рассчитанных
на коммутацию токов нс более 2 А. Нормальным является положение
контактов при обесточенной катушке электромеханического реле или,
в общем случае, при отсутствии сигнала на входе реле.
Различают контакты, работающие на замыкание {замыкающие кон-
такты) и на размыкание цепи (размыкающие контакты). При подаче в
катушку реле тока большего, чем ток срабатывания, замыкающие кон-
такты замыкаются, а размыкающие — размыкаются. Для бесконтакт-
ных реле выходной сигнал характеризуется уровнями 0 и 1, соответству-
ющими замкнутому и разомкнутому положениям контактов.
Коммутационная способность контактов характеризуется мощнос-
тью, при которой обеспечивается замыкание и размыкание контактов.
Эта мощность определяется как произведение напряжения питания
коммутируемой цепи на ток, проходящий по контактам при условии,
что напряжение и ток не превышают допустимых значений [69, 70].
3.2. Электромеханические реле, реагирующие на одну
электрическую величину
На вход большого числа реле подается только одна электрическая
величина — напряжение или ток. Эта величина сравнивается, как пра-
вило, с некоторым эталоном, например, с механическим моментом пру-
жины или стабилизированным напряжением. Для этого подводимая
электрическая величина должна быть предварительно преобразована в
величину, однородную эталону, в данном случае — в механический мо-
мент или напряжение постоянного тока.
Элекгромапштные реле. Среди реле, к которым подводится одна элек-
трическая величина, наибольшее распространение получили электромаг-
нитные реле: тока, напряжения, промежуточные реле, реле времени. Они
имеют разомкнутый магнитопровод 1 (рис. 3.3), на котором размещена
обмотка 2 с числом витков wp и подвижной стальной якорь J, удерживае-
мый в крайнем положении противодействующей пружиной 4. На якоре
расположена изоляционная колодка 5, на которой установлены подвиж-
ные контакты 6; при перемещении якоря они замыкаются с неподвиж-
97
Рис. 3.3. Схема устройства электро-
магнитного реле
М-0
ними контактами 7. Ток /р в обмот-
ке реле создает намагничивающую
силу /pWp, под действием которой в
магнитопроводе возникает магнит-
ный поток Ф. Этот поток создает в
зазоре между якорем и магнитопро-
водом электромагнитную силу F3,
которая стремится притянуть якорь
к магнитопроводу.
Электромагнитная сила для рав-
номерного поля в зазоре определя-
ется формулой Максвелла, Н:
/=525/(2ц0), (3.2)
где S—магнитная индукция в зазоре, Тл;
5 — сечение полюсов, м2;
— магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м.
Учитывая, что магнитный поток Ф получим вместо выражения (3.2):
-А-ф2=£ф2,
2|Л05
где к — постоянная.
Магнитный поток и ток L связаны соотношением
р р ' м ’
где Ам — магнитное сопротивление цепи, по которой замыкается магнитный
поток.
Подставляя это соотношение в выражение (3.3), получаем
(3.4)
При изменении положения якоря изменяется зазор 8, а следователь-
но, и магнитное сопротивление Ям. Поэтому в процессе притяжения
якоря электромагнитная сила F3 увеличивается. Вращаюший момент,
действующий на подвижной якорь от электромагнитной силы:
98
M^Fl, (3.5)
где / — плечо силы jF3.
Для срабатывания реле необходимо соблюдение условия
М >М (3.6)
э т 7
или
Fl>M , (3.7)
э т
где Мт — тормозной момент от сил сопротивления пружины, трения в осях и
массы якоря.
Знак равенства в выражениях (3.6) и (3.7) соответствует граничному
условию срабатывания, т.е. наименьшему моменту, а следовательно, и
наименьшему значению тока /р = /ср, при котором произойдет сраба-
тывание. Ток срабатывания Zcp найдем из выражения (3.4) при гранич-
ном условии срабатывания Гэ = М^/1:
R М
J =__м /т
СР w v kl ’
р
(3.8)
Регулирование тока срабатывания осуществляют, изменяя момент Мт
путем регулировки натяжения пружины и изменения числа витков wp с
помощью отпаек. Как следует из выражения (3.4), в электромагнитных
реле направление силы F3 не зависит от полярности тока, так как вели-
чина тока входит в это выражение во второй степени. Поэтому электро-
магнитные реле можно выполнять для цепей как постоянного, так и
переменного тока.
Если по обмотке реле проходит переменный ток /р = Im sin odZ, то мгно-
венное значение электромагнитного момента на основании выражений
(3.4) и (3.5):
М = k'li2 = k'll2 sin2co/ =—Z2(l”-cos2co/) = Zr7/2 -k'll2 cos2(or, (3.9)
э/р m 2 m P P
где /р — действующее значение тсЖа в обмотке реле (Im = V2Zp).
Из выражения (3.9) следует, что мгновенное значение вращающего
момента имеет постоянную составляющую к'II2 и переменную состав-
ляющую £7Zpcos2cor, изменяющуюся с двойной частотой. Их сумма об-
99
Рис. 3.4. Изменение электромагнитного
момента во времени
разует результирующий вращаю-
щий момент M3t, который явля-
ется пульсирующим (рис. 3.4).
Там же приведен график тормоз-
ного момента Мг пружины, кото-
рый имеет неизменное значение.
В моменты, когда M3f > Мт, якорь
стремится притянуться, а в мо-
менты, когда M3t < Мг, отпасть.
Притянутый якорь непрерывно вибрирует, вызывая также вибрацию
контактов при срабатывании. Вибрация контактов приводит к их под-
горанию; нечеткое замыкание контактов может привести к отказу сра-
батывания защиты.
Для уменьшения вибрации контактов увеличивают момент инерции
якоря или осуществляют расщепление магнитного потока обмотки на
две составляющих, сдвинутых по фазе [11, 16]. Однако эти меры увели-
чивают время срабатывания и электропотребление реле.
Реле тока. Наиболее распространенным типом электромагнитных
реле тока являются реле серии РТ-40. Если такое реле выполняется в
Рис. 3.5. Схема устройства реле тока РТ-40
унифицированной оболочке,
то ему присваивается шифр
РТ-140.
На магнитопроводе 7 (рис. 3.5)
серийных реле тока РТ-40 и
реле напряжения РН-50 [69]
размещены две полуобмотки 2.
Стальной якорь 3 укреплен на
осях 8 и 8' и может поворачи-
ваться вокруг них. В крайнем
положении он удерживается
спиральной противодействую-
щей пружиной 4. На якоре с по-
мощью изоляционной колодки
установлены подвижные кон-
такты 6, которые при повороте
якоря замыкаются с неподвиж-
ными контактами 7. Уставку ре-
гулируют, соединяя полуобмот-
100
ки 2 последовательно или параллельно и изменяя натяжение пружины
4 при помощи поводка 5, Коэффициент возврата реле 0,8—0,85, время сра-
батывания при токе 3/ср равно 0,03 с, потребляемая мощность реле тока
0,5 ВА. Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока 60 Вт,
в цепи переменного тока — 300 В А (при напряжении до 220 В и токе не
выше 2 А). Увеличение числа и разрывной способности контактов выз-
вало бы резкое ухудшение остальных показателей реле и их нельзя было
бы использовать в качестве измерительных.
Обмотки реле тока рассчитаны на длительное протекание тока вто-
ричных цепей трансформаторов ТА; эти обмотки выполняют, в основ-
ном, изолированным проводом диаметром 2—3 мм со сравнительно не-
большим числом витков (от единиц до нескольких десятков).
Для разных типов максимальный ток уставки имеет величину от 0,2
до 200 А. Реле может эксплуатироваться при температурах окружающей
среды от —10 (—20) до +40 °C. Погрешность тока срабатывания по отно-
шению к уставке не превышает ±5 %. Коэффициент возврата не ниже
0,85 на первой уставке и 0,8 на остальных, за исключением реле РТ-40/50
и РТ-40/100, у которых коэффициент возврата не ниже 0,7. Время сра-
батывания реле не более 0,1 с при токе равном 1,2 /ср и не более 0,03 с при
токе в три раза большем /ср (уставки). Время возврата не более 0,035 с.
Реле имеет один замыкающий и один размыкающий контакты, рассчи-
танные на ток до 2 А, способные коммутировать нагрузку переменного
тока (250 В, cos <р = 0,5) до 300 ВА и постоянного тока (250 В) до 60 Вт.
Коммутационная износостойкость 2000 циклов. На сердечнике реле рас-
положены две катушки. Их концы выведены на зажимы цоколя реле.
С помощью металлической перемычки катушки реле можно соединять
параллельно или последовательно. Уставка при этом изменяется в 2 раза.
Диапазон изменения уставок реле от минимальной до максимальной 1:4.
Схема внутренних соединений показана на рис. 3.6, а.
В том случае, когда через катушки может длительно протекать ток,
используют реле типа РТ-40/1Д, схема внутренних соединений которо-
го приведена на рис. 3.6, б. Реле содержит насыщающийся трансформа-
тор TL, выпрямительный мост VD и RC-цепочку, защищающую диоды
от перенапряжений. При токах, превышающих значения максимальной
уставки, указанной на шкале, сердечник трансформатора насыщается,
благодаря чему среднее значение тока не увеличивается.
В цепях с несинусоидальной формой кривой тока, особенно в тех
цепях, где существенное значение имеет третья гармоника (150 Гц), при-
101
а б
РТ-40 РТ-40/1Д РТ-40/Ф
Рис. 3.6. Схемы внутренних соединений реле тока РТ-40
меняют реле тока РТ-40/Ф, схема внутренних соединений которого по-
казана на рис. 3.6, в. Обмотки реле включены во вторичную цепь про-
межуточного трансформатора TL, а параллельно им подключены кон-
денсаторы С1 и С2. Индуктивность обмоток и емкость конденсаторов
настроены в резонанс на третью гармонику (фильтр-пробка), для кото-
рой сопротивление контура оказывается весьма высоким, поэтому она
и более высокие гармоники замыкаются в основном через конденсато-
102
ры. По этой причине уставка реле зависит, главным образом, от величи-
ны первой гармоники тока.
Реле тока РТ-40/Р (рис. 3.6, г) содержит суммирующий промежуточ-
ный трансформатор TL с тремя первичными 7, 2, 3 и одной вторичной 4
обмотками. Оно включается в три фазы электрической сети и исполь-
зуется в устройствах резервирования отказов выключателя (УРОВ), а
также в других специальных случаях. Если при коротком замыкании
одна, две или три фазы выключателя не отключились, то необходимо
подать команду на отключение выключателей смежных элементов со
стороны питания — это назначение УРОВ. Для контроля за такими ре-
жимами в реле РТ-40/Р две первичные обмотки 2—4 и 6—8 имеют оди-
наковое число витков, а третья 5—7 в два раза больше. На рис. 3.6, д, е
приведены примеры включения реле РТ-40/Р в цепи трансформатора
тока. В остальном конструкция аналогична реле РТ-40/1Д.
Для исключения вибрации контактов применяют механические
демпферы (гасители колебаний) в виде пластмассового барабанчика,
разделенного на секции, которые заполнены чистым просеянным пес-
ком. Для тех реле, конструкция которых содержит промежуточные на-
сыщающиеся трансформаторы, ограничивающие величину тока в об-
мотках реле, применяют выпрямители переменного тока, что также спо-
собствует снижению вибраций.
Реле напряжения РН-50 по конструкции в основном аналогичны реле
тока РТ-40. Реле напряжения в унифицированной оболочке имеют марку
PH-150. Катушки реле напряжения выполнены проводом диаметром
0,1—0,25 мм с числом витков от 2 до 14 тысяч и рассчитаны на длитель-
ное подключение к цепям, напряжение которых соответствует номи-
нальному напряжению реле. Механический гаситель колебаний отсут-
ствует. На рис. 3.7, а приведены схемы внутренних соединений реле
максимального напряжения РН-51 для цепей постоянного тока, а на
рис. 3.7,6—реле PH-53 (РН-54, РН-53/60Д) для цепей переменного тока.
Реле РН-51 и РН-53 реагируют на появление или повышение напряже-
ния. Уставки реле РН-51/М для разных исполнений находятся в диапа-
зоне от 0,7 до 320 В (коэффициент возврата не менее 0,5), а у реле РН-53
разных исполнений — от 15 до 400 В (коэффициент возврата не менее
0,8). Реле максимального напряжения РН-53/60Д применяют в устрой-
ствах защиты и автоматики в тех случаях, когда в цепи может возникать
напряжение, значительно превышающее напряжение срабатывания.
Реле минимального напряжения РН-54 реагирует на уменьшение на-
103
a
б
Рис. 3.7. Схемы внутренних соединений реле напряжения РН-50
пряжения с диапазоном уставки для разных исполнений от 12 до 320 В
(коэффициент возврата не более 1,25).
Реле напряжения РНН-57 (рис. 3.7, в) содержит фильтр, настроен-
ный на частоту 150 Гц, снижающий чувствительность к высшим гармо-
никам. Реле применяют в цепях с искаженной формой кривой напря-
жения при малых значениях напряжения срабатывания. Термическая
стойкость при напряжении 115 В составляет всего 6 с, поэтому реле
нельзя применять в устройствах, где на него может длительно подавать-
ся напряжение, превышающее уставку в 2—3 раза.
Реле максимального напряжения РН-58 (рис. 3.7, г) предназначено
для применения в тех случаях защиты и автоматики, где требуется повы-
шенный коэффициент возврата. Это обеспечивается включением обмо-
ток К последовательно с цепочкой стабилитронов VD2 (через выпрями-
тель VD1), крутизна вольт-амперной характеристики которых в конеч-
ном счете и определяет коэффициент возврата, равный примерно 0,95.
104
Промежуточные реле. Если
требуется коммутировать не-
сколько цепей контактами с
большой разрывной способно-
стью, то применяют промежу-
точные реле, обмотка которых
получает питание через мало-
мощные контакты измеритель-
ных реле. В качестве примера
рассмотрим конструкцию про-
межуточного реле РП-23 (рис.
3.8), выполняемого для работы
на постоянном токе. Обмотка
реле 1 размещается на сердеч-
нике магнито провода 2 с шар-
нирно закрепленным якорем 3. Хвостовик 4 якоря механически связан с
подвижной контактной системой 7. Реле имеет неподвижные контакты
6, возвратную пружину 8, упор 5, регулировочные пластины 10. Основа-
нием служит цоколь 9, закрывается реле кожухом 11. При подаче на об-
мотку реле напряжения якорь опускается и хвостовиком 4 перемещает
Рис. 3.8. Промежуточное реле РП-23
контактную систему.
Промежуточные реле должны надежно срабатывать при снижении
напряжения питания до 0,7 номинального. У них низкий коэффициент
возврата: от 0,1 до 0,4. Потребляемая мощность при номинальном на-
пряжении от 6 до 8 Вт, время срабатывания 0,06 с. Имеются и более быст-
родействующие промежуточные реле со временем действия до 0,01 с,
например, серии РП-220, а также реле с замедлением на срабатывание
или возврат до 0,12 с, например серии РП-250 [69].
У промежуточных реле, например типа РП-25, РП-311, предназна-
ченных для работы в цепях переменного оперативного тока, магнито-
провод выполняется шихтованным. Однако более совершенными, с
меньшим собственным потреблением, промежуточные реле перемен-
ного тока получаются при использовании электромагнитных реле по-
стоянного тока, включенных через полупроводниковые выпрямители,
например типа РП-321Т, РП-341 [69]. Схема внутренних соединений
реле РП-341 приведена на рис. 3.9.
Взамен промежуточных реле серий РП16, РП23, РП25 и аналогич-
ных могут использоваться новые модификации серии РЭП36 с време-
105
Рис. 3.9. Схема соединений проме-
жуточного реле РП-341
Рис. 3.10. Реле с герконом
стеклянной колбочки 2 (рис. 3.10),
нем срабатывания не более 30 мс
и отпадания — до 50 мс. Новые
промежуточные двухпозицион-
ные реле серии РЭП38 применя-
ются взамен широко известных
реле РП11 и РП12. Вместо проме-
жуточных реле с замедлением ста-
рых серий РП18 и РП250 разрабо-
тана серия РЭП37, имеющая шесть
исполнений. Промежуточные бы-
стродействующие реле РЭП37-13
имеют время срабатывания не бо-
лее 11 мс и отпадания — до 15 мс,
они выпускаются для замены ана-
лога — реле серии РП17 [150].
В устройствах релейной защи-
ты и автоматики в качестве изме-
рительных и, особенно, логичес-
ких начинают применять реле с
магнитоуправляемыми контакта-
ми (герконами). Геркон состоит из
[утрь которой впаяны контакты 3
из пружинящего ферромагнитного материала. В колбе создается разре-
жение. Геркон помещается в катушку 7. Если пропустить по ней ток, то
под действием магнитного поля контакты 3 замкнутся. Герконы обла-
дают высоким быстродействием (от 0,5 до 2 мс), малым собственным
потреблением (от 20 до 100 мВт) и высокой надежностью (от 107 до 108
переключений). Коммутируемый ток герконов от 0,2 до 1 А при напря-
жении от 30 до 110 В, коэффициент возврата от 0,3 до 0,6 [70].
Для цепей постоянного тока применяют промежуточные герконо-
вые реле РПГ-4 с числом замыкающих контактов от2 до 6 и РПГ-14, содер-
жащим до трех замыкающих и трех переключающих контактов. Коммута-
ционная способность на постоянном токе при напряжении 24 В — 1 А, при
напряжении 220 В — 0,15 А. При переменном токе напряжением 110 В ком-
мутируется ток 0,4 А, а при напряжении 220 В — 0,2 A (cos ф = 0,4).
Промежуточные реле РПГ-16 имеют более мощные контакты и снаб-
жены светодиодным указателем срабатывания. При напряжении 220 В кон-
такты этих реле способны коммутировать токи от 1-10“^ до 2,5 А, а при
106
редких коммутациях и больше. На рис. 3.11
приведена схема внутренних соединений реле
РПГ16-202-60 для одной из модификаций.
Разработаны силовые герконы (герси-
коны) на ток до 6,3 А при напряжении до
380 В с коммутируемой мощностью 2400
В’А [71], а также высоковольтные герко-
ны на напряжение 5 и 10 кВ с коммутиру-
емой мощностью 50 Вт [72]. На основе гер-
конов выпускаются контакторы типа
КМГ13-19, КМГ14-19 и др. [71].
Миниатюрные герконовые реле серии
РЭС-42—РЭС-46, РЭС-55 и др. предназ-
начены для впаивания в платы и модули
Рис. 3.11. Схема соединений про-
межуточного реле РПГ16-202-60
совместно с электронными и микроэлек-
тронными схемами [70].
Реле времени применяют для создания регулируемой выдержки вре-
мени. В электромагнитном реле времени ЭВ-100 или ЭВ-200 на катуш-
ку 1 (рис. 3.12) подается напряжение. При этом якорь 2 втягивается и
сжимает возвратную пружину 3, освобождая палец 4, который упирает-
ся в верхнюю часть якоря 2. Под воздействием ведущей пружины 5 на-
чинает вращаться зубчатый сектор 6, укрепленный на оси 7. Сектор 6
находится в зацеплении с шестерней 8, на одном валу с которой располо-
жена контактная траверса 9. Таким образом, вращение зубчатого сектора
6 вызывает вращение траверсы 9. Для того чтобы она вращалась с посто-
янной угловой частотой, используется часовой механизм с храповой пру-
жиной. При вращении шестерни 8 происходит сцепление ее вала с веду-
щей шестерней Юс помощью фрикционного устройства 11, расположен-
ного на оси 72. Часовой механизм (детали 13, 14, 15) связан с ведущей
шестерней 10 через трибку 16 и промежуточные шестерни 17, 18.
Траверсу 9 вручную первоначально устанавливают в положение, со-
ответствующее требуемой выдержке времени, указанной на шкале 19.
При вращении траверсы 9через заданный промежуток времени она сво-
ими концами перемыкает контакты, размещенные в колодках 20 и 27.
Реле времени снабжено также переключающимися контактами 22 мгно-
венного действия.
Реле времени ЭВ-100 выпускают для работы на постоянном опера-
тивном токе, реле ЭВ-200 — на переменном. Различные модификации
107
Рис. 3.12. Схема устройства электромагнитного реле времени
реле времени позволяют устанавливать выдержку времени от 0,1 до 20 с.
Мощность, потребляемая обмотками реле, равна от 15 до 30 Вт, контак-
ты реле имеют примерно такую же разрывную мощность, как у реле тока
и напряжения.
Реле времени серии ЭВ-200, предназначенное для работы на пере-
менном оперативном токе и выполненное аналогично реле ЭВ-100,
имеет значительную потребляемую мощность и может отказать при глу-
боком снижении напряжения в цепях оперативного тока, получающих
питание от трансформатора собственных нужд при внешних коротких
замыканиях. В других модификациях часовой механизм заводится при
наличии напряжения в цепи оперативного питания и приходит в дей-
ствие с замыканием соответствующих контактов при снижении или ис-
чезновении этого напряжения. При колебаниях напряжения оператив-
ной цепи возможен ложный пуск реле. На замену реле этого типа разра-
ботаны и выпускаются новые реле времени серии РСВ-18 [150].
Более надежным для цепей с переменным оперативным током явля-
ется реле времени серии РВМ с синхронным микродвигателем, схема и
108
конструкция которого показаны на рис. 3.13. Реле содержит насыщаю-
щиеся трансформаторы TL1 и TL2 (рис. 3.13, а), каждый из которых
содержит по две секции первичной обмотки (клеммы 1—5, 3—7 и 2—6,
4—8). Эти секции могут включаться последовательно или параллельно
для регулировки тока срабатывания. Первичные обмотки насыщающих-
ся трансформаторов TL1 и TL2 включаются в разные фазы вторичных
цепей трансформаторов тока трехфазного защищаемого объекта. В ши-
роком диапазоне изменения тока в первичных обмотках на вторичных
обмотках этих трансформаторов поддерживается примерно одинаковое
действующее значение напряжения. Пики напряжения и высшие гармо-
ники во вторичном напряжении подавляются RC-цепочками, включае-
мыми параллельно вторичным обмоткам трансформаторов ТЫ и TL2.
Запуск реле времени осуществляется замыканием вводов 9—11 или
11—13, причем с помощью контактов пусковых реле обеспечивается за-
мыкание только одной пары выводов. В этом случае обмотка статора w
подключается ко вторичной обмотке трансформатора ТЫ или TL2 и по
ней протекает ток. При этом ротор 2 (рис. 3.13, б) втягивается в межпо-
лосное расстояние статора 7 микродвигателя и начинает вращаться с
частотой, определяемой частотой тока. Трибка 3 на оси растра входит в
зацепление с трехступенчатым редуктором, ее вращение передается рам-
fl б
Рис. 3.13. Схема и конструкция реле времени РВМ
109
ке 4, на которой закреплены подвижные контакты. Выдержка времени
зависит от того пути, который требуется пройти каждому из них до за-
мыкания с проскальзывающими 5 и упорными (конечными) 6 непод-
вижными контактами. При исчезновении тока в первичных обмотках
TL1 и TL2 вращение ротора прекращается и он выходит из межполос-
ного пространства. Трибка 3 расцепляется с редуктором, и пружина воз-
вращает рамку 4 в первоначальное положение.
Указательные реле служат для индикации о срабатывании, возврате
или несрабатывании отдельных устройств релейной защиты и автома-
тики. Чаще всего применяются указательные реле, обмотки которых
включаются последовательно с обмотками того аппарата, действие ко-
торого контролируется. При протекании тока по обмоткам этого аппа-
рата, например электромагнита отключения YAT высоковольтного вык-
лючателя, он протекает также и по обмотке указательного реле, которое
при этом срабатывает.
В реле типа РУ-21 пластмассовый барабан с диском, на котором име-
ются три сектора светлого цвета, закрыт скобой черного цвета. При сра-
батывании реле втягивается якорь электромагнита, под действием гру-
за на диске барабан вместе с диском поворачивается, а в вырезах скобы
появляются светлые секторы диска, которые видны в специальном окне
корпуса реле. В исходное положение реле возвращается вручную при
надавливании на специальный рычаг.
Более новые конструкции указательных реле типа РЭУ И представ-
ляют собой реле блинкерного типа с электромагнитным приводом и
ручным возвратом. Оно состоит из размещенных в пластмассовом кор-
пусе двухобмоточного П-образного электромагнита с поворотным яко-
рем, узла индикации и контактного блока. При срабатывании реле в
специальном окне корпуса появляется пластина красного цвета. Крас-
ный цвет является индикатором срабатывания. В реле имеются замы-
кающий и размыкающий контакты. При срабатывании реле замыкаю-
щие контакты замыкаются, а размыкающие — размыкаются. При сня-
тии питания с обмотки реле указатель срабатывания (красная пластина)
и контакты без самовозврата остаются в том же положении, как при сра-
батывании. Они возвращаются в исходное положение нажатием специ-
альной кнопки. Дополнительный контакт реле — повторитель входно-
го сигнала (с самовозвратом) замыкается при наличии питания на об-
мотке управления и размыкается при его отсутствии.
Индукционные реле. К обмоткам такого реле подводится переменная
электрическая величина. Конструкция индукционных реле не проще, а
110
время действия существенно больше, чем у реле электромагнитных. По-
этому применение индукционных реле с одной подведенной величиной
целесообразно только в том случае, если время срабатывания должно за-
висеть от кратности превышения током в обмотке величины уставки.
Индукционное реле тока (рис. 3.14) состоит из электромагнита J, на
верхнем и нижнем полюсах которого имеются короткозамкнутые вит-
ки 3, На сердечнике электромагнита расположена обмотка 2 с ответвле-
ниями для регулирования тока срабатывания. Алюминиевый диск 4 сво-
бодно входит в зазор между полюсами электромагнита 1. Ось этого дис-
ка укреплена в подшипниках. При токе в обмотке 2, равном от 0,1 до 0,2
от тока срабатывания индукционного элемента, диск 4 приходит во вра-
щение. Вращающий момент создается благодаря взаимодействию из-
меняющихся во времени магнитных потоков в зазоре между полюсами
с токами в диске. Известно, что для получения вращающего момента на
диске необходимо иметь по крайней мере два магнитных потока, сме-
щенных в пространстве и сдвинутых по фазе.
Эти условия создаются благодаря тому, что часть сечения верхнего и
нижнего полюсов магнитопровода 1 охвачена короткозамкнутыми вит-
ками 3. Поэтому суммарный магнитный поток Фр, созданный током /р
в обмотке 2, делится в полюсах на два потока Фр1 и Фр2, смешенных в
пространстве. Поток Фр1 проходит через часть полюсов, охваченную
короткозамкнутыми витками 5, поток Фр2 — через остальную часть по-
люсов. Под влиянием магнитного потока, пронизывающего коротко-
замкнутый виток, в нем возникает ток /к. Этот ток создает магнитный
поток Фкр Из-под сечения полюса, охваченного витком, выходит ре-
зультирующий магнитный поток Фт = Фр1 + Фк1. Из-под остальной
части полюса выходит поток Фц = Фр2 — Фк2 (Фк2 меньше ФК| вслед-
Рис. 3.14. Схема устройства индукционного реле тока
Рис. 3.15. Векторная диаграмма
индукционного реле тока
ствие полей рассеивания). Оба потока
пронизывают диск 4 и индуктируют в
нем вихревые токи.
ЭДС £к, индуктированная в корот-
козамкнутом витке потоком Фр отста-
ет от него на угол 90е (рис. 3.15). Ток /к
в витке отстает от Ек на небольшой
угол, так как индуктивность витка не-
велика. Пренебрегая потерями на на-
магничивание, вектор магнитного по-
тока Фк1 принимаем совпадающим с
вектором тока 1К. Вектор Фр1 находим
из условия Фр1 = — Фк1. Вектор Фр2
совпадает по направлению с вектором
Фр1. Вектор Фц находится из условия Фп = Фр2 — Ф^.
Из векторной диаграммы видно, что магнитные потоки Ф{ и Фп, про-
низывающие диск, сдвинуты на угол \|/. Кроме того, эти потоки разнесены
и в пространстве. Каждый из них наводит в диске вихревые токи. Взаимо-
действие между магнитным потоком Ф| и вихревым током, наведенным в
диске магнитным потоком Фц, а также взаимодействие между магнитным
потоком Фр и вихревым током в диске, наведенным магнитным потоком
Фт создает электромагнитную силу Л, действующую надиск:
Fa = ^1ФП sin (3.10)
где частота;
к' — постоянный коэффициент.
Электромагнитный момент, действующий на диск, равен произведению
электромагнитной силы на расстояние от точки ее приложения до оси дис-
ка. Полагая это расстояние, а также частоту неизменными, получаем:
М3 = Sin V- (3.11)
Поскольку оба магнитных потока пропорциональны току в обмотке
2 реле (см. рис. 3.14), то выражение (3.11) можно представить в виде:
Л/Э=^р> (3.12)
где с — постоянная величина.
112
На вращающий диск действует также тормозной момент Л/т, кото-
рый складывается из момента трения в подшипниках, противодейству-
ющего момента спиральной пружины <?(см. рис. 3.14), тормозных мо-
ментов от ЭДС резания и от успокоительного (тормозного) магнита 5,
момента инерции диска. ЭДС резания появляются в диске при его вра-
щении, когда элементарные проводники пересекают магнитные поля
Фр Ф|р и успокоительного магнита. Эти ЭДС наводят в диске токи, вза-
имодействие которых с вызвавшими их магнитными потоками создает
моменты резания, направленные против направления вращения диска.
Вращение диска происходит под влиянием избыточного вращающего
момента Л/из = М3 — Мг На оси диска укреплен подвижной контакт 6.
Поворачиваясь под воздействием Миз, диск замыкает подвижный кон-
такт 6 с неподвижным 7. Чем больше Л7ИЗ, тем больше частота враще-
ния диска и тем меньше время действия реле.
Регулирование тока срабатывания осуществляется изменением чис-
ла витков в обмотке с помощью отпаек. Укрепляя подвижный контакт 7
в различных точках неподвижной шкалы 9, при одном и том же токе
срабатывания можно получить различное время действия реле.
Промышленность выпускает комбинированные индукционные реле
тока типа РТ-80 и РТ-90 (рис. 3.16), которые имеют индукционный и
электромагнитный элементы с общей магнитной системой [69]. Ин-
дукционный элемент состоит из магнитопровода 7, на верхнем и нижнем
полюсах которого расположены короткозамкнутые витки 2 (рис. 3.16, д).
Кроме того на магнитопроводе находится обмотка 3 с ответвлениями
Рис. 3.16. Схема устройства реле РТ-80
113
для регулирования тока срабатывания, которые подводятся к штепсельно-
му блоку 4 и переключаются с помощью винтов 5. Алюминиевый диск 16
свободно входит в зазор между полюсами магнитопровода 1. Ось этого диска
укреплена в подшипниках подвижной рамки 13, а сама рамка может вра-
щаться вокруг оси 14—17. Пружина 18 оттягивает рамку 13 в одно из край-
них положении до упора. На оси диска 76 имеется червяк 11, При повороте
рамки 13 против усилия пружины червяк входит в зацепление с зубчатым
сегментом 12, который может свободно перемещаться вверх и вниз.
Когда ток в катушке 3 достигнет величины от 0,1 до 0,2 от значения
тока срабатывания реле, диск 16 начнет вращаться под действием силы
F3. Однако реле еще не срабатывает, так как сегмент 12 не входит в за-
цепление с червяком 11. Диск проходит в зазоре между полюсами по-
стоянного магнита 75. Его магнитный поток наводит в диске вихревые
токи и создает противодействующую силу FT (рис. 3.16, 6). Чем больше
ток в обмотке реле, тем больше сила F3 и выше частота вращения диска,
тем больше и сила Л. Равенство сил R и К наступает при установив-
шейся частоте вращения диска. Равнодействующая сил F3 и Fr стремит-
ся повернуть диск с рамкой 13 вокруг оси. При определенном значении
тока (токе срабатывания) эта равнодействующая преодолеет силу Fn
пружины 18 м. рамка 13 повернется вокруг своей оси. Сегмент 72 войдет
в зацепление с червяком 77. Рычаг сегмента начнет подниматься, уп-
рется в коромысло 10 и поднимет его. Коромысло жестко связано с яко-
рем 6, поэтому последний повернется так, что воздушный зазор между
его правым краем и магнитопроводом 7 уменьшится. Якорь притянется
к электромагниту и коромыслом 10 замкнет контакты 9.
Время между началом зацепления сегмента 72 с червяком 77 и замы-
канием контактов определяется скоростью подъема рычага сегмента и
длиной пути, которую последний проходит. Скорость подъема зависит
от частоты вращения диска, т.с. от тока /р. Длина пути зависит от на-
чального положения сегмента. Его можно регулировать перемещени-
ем движка 19 по винту 8. Поэтому при одном и том же токе срабатыва-
ния можно получить различные выдержки времени. На рис. 3.17 приве-
дена серия характеристик У—5 реле, те. зависимостей выдержки времени
t от отношения (кратности) тока в реле /р к току срабатывания /ср.
Если ток в катушке реле достигнет значения (2—8) 7ср, то якорь 6 (см.
рис. 3.16) мгновенно повернется и замкнет контакты 9. В этом случае реле
действует без выдержки времени. Уставку индукционной системы регу-
лируют изменением числа витков обмотки 3. При данном числе витков
114
регулировку уставки электромаг-
нитной системы осуществляют из-
меняя воздушный зазор между
правым краем якоря 6 и магнито-
проводом 1 с помощью винта 7.
Контакты реле имеют два ис-
полнения: нормальное и усилен-
ное. Контакты нормального испол-
нения являются замыкающими.
Однако при необходимости про-
стой перестановкой подвижного и
неподвижного контактов можно их
переделать на размыкающие. Уси-
ленные контакты выполнены пере-
ключающими. Размыкающие и за-
Рис. 3.17. Характеристики срабаты-
вания реле РТ-80
мыкающие контакты кинематичес-
ки связаны таким образом, что сначала происходит замыкание
замыкающего контакта и лишь после этого — размыкание размыкаю-
щего контакта. Замыкающий контакт реле предназначен для замыка-
ния цепи катушки отключения YAT высоковольтного выключателя, раз-
мыкающий — для дешунтирования этой катушки в схемах с питанием ее
оперативным переменным током от трансформатора тока (см. п. 2.9).
Реле PT-81—РТ-84 предназначены для объектов, имеющих источ-
ник постоянного или выпрямленного оперативного напряжения в виде
аккумуляторной батареи или блока питания. Замыкающие контакты
этих реле рассчитаны на включение цепи с током до 5 А при напряже-
нии до 250 В. Этого может хватить для включения катушки привода ме-
ханизма отключения выключателя, однако отключение цепи этой ка-
тушки должно производиться не контактами реле, а вспомогательными
контактами выключателя.
Реле PT-85, РТ-86 применяют в устройствах, где в качестве опера-
тивного используется переменный ток. У этих реле контакты способны
шунтировать и дешунтировать цепь отключающей катушки привода вык-
лючателя при токах до 150 А при условии, что полное сопротивление этой
катушки не превышает 4 Ом при токе 4 А и 1,5 Ом при токе 50 А.
В обозначении реле типа РТ-80 за дробной чертой (например, РТ-80/1)
цифра 1 соответствует диапазону уставок от 4 до 10 А со ступенью 1 А, а
цифра 2 — диапазону от 2 до 5 А со ступенью 0,5 А.
115
Реле серии РТ-90 предназначены для защиты асинхронных двигате-
лей большой мощности с «тяжелым» пуском (значительные кратности
пускового тока, длительный пуск). У них времятоковая характеристика
переходит в независимую от тока часть при кратности тока почти вдвое
меньшей, чем у реле РТ-80. Реле типа РТ-91 имеют контакты нормаль-
ного исполнения, а типа РТ-95 ~ усиленные контакты для дешунтиро-
вания катушки отключения выключателя (см. рис. 2.29).
Использование индукционной и электромагнитной систем в реле РТ-80
и РТ-90 позволяет выполнить с помощью одного реле и токовую отсечку
от коротких замыканий, и максимальную токовую защиту с выдержкой
времени от перегрузки. Коэффициент возврата индукционного элемента
равен 0,8. Недостатком реле является сложность конструкции и боль-
шое собственное потребление при срабатывании (от 10 до 30 ВА).
3.3. Полупроводниковые реле, реагирующие на одну
электрическую величину
Реле тока и напряжения. Схема простейшего универсального реле тока
(напряжения) приведена на рис. 3.18. Такое реле является составной
частью модуля датчика тока и сопротивления ДТС защиты тяговой сети
переменного тока [27]. Реле присоединяют к трансформатору тока или на-
пряжения через промежуточный трансформатор TL, как показано на рис.
3.18. При отсутствии сигнала на входе транзистор VT1 открыт отрица-
тельным смещением, которое подается на базу через резистор R1. На-
пряжение смещения базы стабилизировано стабилитроном VD1 и дио-
Рис. 3.18. Схема полупроводникового реле тока (напряжения)
116
дами VD2, VD3, осуществляющими температурную компенсацию. Тран-
зисторы VT2 и VT3 закрыты, транзистор VT4 открыт. Последние два
транзистора выполняют роль промежуточного реле.
Входное напряжение через малогабаритный трансформатор TL посту-
пает на выпрямитель VD4 и сглаживается конденсатором С. Ток, протека-
ющий по резистору R2, пропорционален входному сигналу. Если этот ток
станет примерно равным току смещения в сопротивлении R1 или превы-
сит его, транзистор VT1 закроется, транзисторы VT2 и VT3 откроются, а
VT4 закроется. Это соответствует срабатыванию реле. Для более четкого
действия реле на границе срабатывания применяется положительная об-
ратная связь через резистор R3. Уставка регулируется потенциометром.
Коэффициент возврата реле 0,9, время срабатывания 0,02—0,06 с.
Все большее применение в защитах находят интегральные микро-
схемы [21, 22, 73]. В комплект многих типовых устройств релейной за-
щиты входит измерительный орган тока (напряжения), выполненный в
виде времяимпульсной схемы с операционными усилителями, приве-
денный на рис. 3.19, а [19, 21]. Входной сигнал поступает на первичную
обмотку согласующего трансформатора TL, которая для реле тока и реле
напряжения имеет разное число витков разного сечения. В узле реле тока
первичная обмотка трансформатора TL (TLA) включается во вторичную
цепь трансформатора тока, в узле реле напряжения первичная обмотка
трансформатора TL (TLV) включается во вторичную обмотку трансфор-
матора напряжения. Входной сигнал выпрямляется двухполупериодным
выпрямителем VD1, но не сглаживается. Поэтому напряжение Ц на
выходе выпрямителя VD1 имеет вид полуволн (рис. 3.19, б).
В схеме, приведенной на рис. 3.19, а, потенциалы всех точек отсчи-
тываются от потенциала шинки 0, который принимается равным нулю.
Напряжение Uy равно разности потенциалов между положительным
выводом выпрямителя VD1 и шинкой 0. Оно подается на инвертирую-
щий вход (—) операционного усилителя А1, на неинвертирующем входе
(+) которого установлено опорное напряжение <701. Потенциал не ин-
вертирующего входа относительно шинки 0 положителен, а его величи-
на устанавливается путем регулировки резисторов R1 и R2 . Если на-
пряжение Uy отсутствует или соблюдается соотношение Uym < 1/01, где
Uym — амплитудное значение напряжения Ц, то на выходе операцион-
ного усилителя А1 напряжение положительно и по величине практи-
чески равно +£п. При возрастании Uy как только начинает соблюдать-
ся условие Uym > Щу операционный усилитель А1 переключается и на
его выходе напряжение U± изменяет свой знак (рис. 3.19, в).
117
a
Рис. 3.19. Времяимпульсный узел (измерительный орган) для измерения
одной электрической величины
Положительное значение напряжения J72 заряжает конденсатор С
через резистор R3. При отрицательном значении напряжения конден-
сатор перезаряжается через параллельно включенные сопротивления R3
и R4 (диод VD2 при отрицательном значении напряжения (72 открывает-
ся). Поскольку параллельно конденсатору С включен двусторонний ста-
билитрон VD3, то положительное напряжение на конденсаторе не может
118
превысить значения + 1^., а отрицательное не может быть больше — ^ст,
где — напряжение стабилизации стабилитрона (рис. 3.19, г). Интер-
вал времени а (см. рис. 3.19, б) соответствует длительности соблюдения
условия U^m > В течение этого времени напряжение £/3 на конден-
саторе С снижается, а в остальное время — возрастает.
Напряжение £73 поступает на инвертирующий вход операционного
усилителя А2. При условии Щт < £701 напряжение имеет положи-
тельный знак, следовательно напряжение С7ВЫХ на вых°Де операцион-
ного усилителя А2 имеет отрицательную величину, почти равную
(рис. 3.19, д). При этом опорное напряжение t/Q3 также отрицательное.
Такое положение соответствует исходному (несработавшему) состоянию
измерительного органа. При условии U±m > Цл напряжение £73 (из-за
пилообразного напряжения) в момент времени станет более отрица-
тельным, чем опорное напряжение — Ццу Это вызывает переключение
операционного усилителя А2 и изменение знака выходного напряже-
ния U3m (см. рис. 3.19, д) на положительное значение, что соответству-
ет сработавшему состоянию измерительного органа.
Положительному значению £7ВЬ1Х соответствует и положительное зна-
чение опорного напряжения + f/Q2 (см- Рис- 3.19, г). J\q тех пор пока со-
блюдается U\m Цд положительные значения напряжения t/3 оказы-
ваются меньше опорного напряжения + и операционный усилитель
А2 обратно не переключается, сохраняя на выходе положительное зна-
чение {7ВЫХ (рис. 3.19, д). Возврат измерительного органа в исходное
положение произойдет при условии U^m < Цд-
Напряжение (7ВЫХ управляет транзистором VT При отрицательном
значении этого напряжения транзистор VT закрыт, при положительном —
он открывается, после чего срабатывает промежуточное миниатюрное
реле KL. Одновременно загорается светодиод VD6, сигнализируя о сра-
батывании измерительного органа. Этот светодиод выполняет роль ука-
зательного реле с самовозвратом.
Измерительный орган, упрощенная схема которого приведена на
рис. 3.19, а, лежит в основе реле тока серии РСТ-11—-РСТ-14 и реле
напряжения серии РСН-14—РСН-17 [22]; он используется также в
комплексном устройстве защиты типа ЯРЭ-2201 в составе модулей тока
и напряжения. Другие виды измерительных органов с одной подве-
денной электрической величиной описаны в [27, 28, 58, 60].
Применение статических реле тока РСТ-11—РСТ-14 возможно во
всех случаях, когда не требуется принимать меры по отстройке от апе-
119
риодических составляющих высших гармоник в токе защищаемого
объекта. Реле РСТ-11 и РСТ-12 рассчитаны на источник оперативного
питания 220 В переменного тока, а реле РСТ-13 и РСТ-14 — на источ-
ник 220 В постоянного тока. Имеется семь вариантов исполнения по
величине максимальной уставки в диапазоне от 0,2 до 120 А. Коэффи-
циент возврата не менее 0,9; время действия при 1,2/ср составляет не
более 60 мс, а при 3/ср — не более 35 мс. Контакты реле способны ком-
мутировать постоянный ток до 1 А, а переменный — до 2 А. Потребляе-
мая мощность из сети оперативного питания 7 Вт в нормальном режи-
ме и 8,5 Вт в режиме срабатывания.
Схема статического реле тока приведена на рис. 3.20. В промежуточ-
ном трансформаторе TLA между первичной и вторичной обмотками
помещена еще одна обмотка, конец которой соединен с корпусом. Эта
обмотка является экраном и защищает схему от высокочастотных им-
пульсов, которые могут проникнуть из вторичных цепей трансформа-
тора тока. Регулировка тока срабатывания /ср (уставки) осуществляется
ступенчато ключами SB1—SB5 и плавно потенциометром R3.
Измерительный времяимпульсный орган реле на двух операционных
усилителях А1 и А2 выполнен аналогично приведенному на рис. 3.19. Пи-
тание реле от источника оперативного переменного тока осуществляется
через выпрямительный мост V2. С помощью стабилитронов VD4 и VD5
получают напряжение ±15 В для питания операционных усилителей.
Максимальные реле напряжения РСН-14, РСН-15 и минимальные
реле напряжения РСН-16, РСН-17 выполняются в основном по схе-
ме, подобной реле тока РСТ. Отличием является использование вмес-
то промежуточного трансформатора тока TLA промежуточного
трансформатора напряжения TLV с двумя резисторами, включенными
последовательно в цепь первичной обмотки. Реле максимального на-
пряжения срабатывают при повышении напряжения цепи выше устав-
ки, реле минимального напряжения — при понижении напряжения
ниже уставки.
Реле РСН-14, РСН-16 используются при оперативном постоянном
токе 220 В, а реле РСН-15, РСН-17 — при переменном токе 220 В. Име-
ется пять модификаций по напряжению уставок от 12 до 400 В.
Статическое реле максимального тока РС-40М является функцио-
нальным аналогом электромеханического реле РТ-40. Реле РС-40М1
обеспечивает токовую защиту с независимой выдержкой времени от 0,1
до 6,4 с с дискретностью 0,1 с. Реле РС-40М2 содержит двухфазную токо-
120
R19
Рис. 3.20. Статическое реле тока РСТ-13
вую отсечку без выдержки времени. Статическое реле максимального тока
РС-80М является функциональным аналогом электромеханических реле
РТ-80 и РТ-90. Оно обеспечивает токовую отсечку с выдержкой времени
70—100 мс или 150—200 мс по выбору, а также защиту с тремя видами
времятоковой характеристики (обратно-зависимыми крутой и нормаль-
ной, независимой). Важным достоинством реле серии РС-40Ми РС-80М
является то, что они не требуют оперативного питания [150].
Реле времени. Полупроводниковые (электронные) реле времени де-
лятся на аналоговые и цифровые. В аналоговом реле задатчиком времени
служит интегрирующая RC-цепочка, в цифровом — генератор импуль-
сов стабильной частоты и счетчик числа импульсов. Аналоговые реле
выполняют с выдержкой времени до 10—20 с. С увеличением предель-
ного значения выдержки времени возрастают габариты конденсатора,
что мешает его размещению на стандартной плате вместе с другими эле-
ментами схемы, и снижается точность работы. Цифровые реле времени
таких ограничений в схемах защиты и автоматики практически не име-
ют и могут по принципу действия выполняться на выдержки времени,
измеряемые не только секундами, но и минутами, часами, сутками. В
устройствах релейной защиты, выполняемых в виде отдельных реле или
модулей, составляющих комплект защиты, чаще используются анало-
говые реле. В цифровых и микропроцессорных защитах — цифровые
элементы выдержки времени.
Резисторно-конденсаторную RC-цепочку для формирования выдерж-
ки времени аналоговых реле можно использовать в режимах заряда, раз-
ряда и перезаряда конденсатора. Наибольшее распространение полу-
чили первый и последний режимы. Простейший узел выдержки време-
ни с зарядом конденсатора С через резистор R показан на рис. 3.21, а.
В режиме ожидания контакт К замкнут и конденсатор С разряжен. При
а б в
Рис. 3.21. Узел выдержки времени с зарядом конденсатора
122
срабатывании пусковых измерительных органов релейной защиты кон-
такт К размыкается и конденсатор начинает заряжаться. При бесконеч-
но большом сопротивлении реле KV напряжение ис на конденсаторе
изменяется по закону:
и = Е
С пч ' ’
(3.13)
где £п — напряжение питания,
t — текущее время, начиная с момента размыкания контакта К.
График изменения напряжения ис показан на рис. 3.21, б. Когда на-
пряжение на конденсаторе достигнет уставки £7ср реле KV, оно сработа-
ет и замкнет свои контакты. Величина выдержки времени t = /в соответ-
ствует условию и = U . Подставив это условие в (3.13) получим:
и
t =7?С1п
в
(3.14)
В действительности закон изменения ис от времени имеет более слож-
ный вид из-за наличия сопротивлений утечки конденсатора С и по по-
верхности резистора R, а также из-за того, что сопротивление реле KV не
равно бесконечности. Эти сопротивления определяют нестабильность
выдержки времени. Чем меньше значения Л и С, тем выше при прочих
равных условиях стабильность, однако, при малых значениях R и Снельзя
получить больших выдержек времени. При Еср/Еп = 0,632 обеспечивает-
ся наилучшая стабильность реле [74]. В этом случае tB = ЕС. Так, напри-
мер, при 1 МОм, С= 10мкФ получаем tB =Ь10^ * 10-10“^ = 10 с.
При замыкании контакта К конденсатор С быстро разряжается че-
рез малое сопротивление R1 и реле KV возвращается в исходное состо-
яние. В качестве KV выгодно использовать операционный усилитель с
большим входным сопротивлением, включенный по схеме порогового
элемента (триггера Шмитта). В реальных схемах часто используется
модификация, показанная на рис. 3.21, в, в которой вместо порогового
элемента KV использованы делитель напряжения на резисторах R2, R3,
нуль-орган ЕА и диод VD. В этой схеме конденсатор С начинает заря-
жаться также после размыкания контактов К, при этом диод VD заперт,
поскольку ис < Uq. Когда напряжение ис на конденсаторе превысит зна-
чение t/cp = Uq + t/p, где U& — падение напряжения на диоде VD, диод
123
откроется и через нуль-индикатор ЕА будет протекать ток в направле-
нии, показанном стрелкой. Нуль-индикатор сработает и замкнет кон-
такты ЕА. Выдержка времени также определяется формулой (3.14); не-
стабильность этой схемы несколько хуже из-за наличия диода VD.
Некоторое увеличение предельного значения выдержки времени при
той же емкости конденсатора С можно получить, если заряд конденса-
тора осуществлять неизменным по величине током. Такой узел показан
на рис. 3.22, а. Его отличие от предыдущего заключается в использова-
нии стабилизатора тока, выполненного на транзисторе VT, включенно-
го по схеме с общей базой, и резисторов R4, R5, R6. Величина тока I
коллектора транзистора в процессе заряда остается неизменной. Она
может регулироваться изменением сопротивлений R4 и R6. Напряже-
ние на конденсаторе изменяется по закону:
It
и =—:
с С
(3.15)
График этого изменения показан на рис. 3.22, б. Когда напряжение
ис достигает величины Z7cp = Uq + U& где UD — падение напряжения на
диоде VD, нуль-индикатор сработает. Выдержка времени t = tB равна:
СИ
в
(3.16)
В остальном работа этого узла не отличается от предыдущего.
Рис. 3.22. Узел выдержки времени с линейным зарядом конденсатора
124
На рис. 3.23, а приведена простейшая схема узла с перезарядом кон-
денсатора С, в которой сопротивление резистора R много больше сум-
мы сопротивлений резистора R3 и нуль-индикатора ЕА. В исходном со-
стоянии (ждущем режиме) контакт К.1 разомкнут, контакт К. 2 замкнут,
конденсатор С заряжен. В процессе заряда ток протекает от шинки +£п
через конденсатор С и резистор R1 небольшого сопротивления к шинке
—Еп. Полярность обкладок конденсатора указана на рис. 3.23, а (без ско-
бок). Потенциал правой обкладки конденсатора равен примерно +Еп,
потенциал левой обкладки конденсатора равен —£п. Диод VD закрыт.
Запуск узла выдержки времени осуществляется путем замыкания
контакта К.1 и размыкания контакта К.2. При этом диод VD остается
заперт, поскольку к его катоду приложен потенциал +£п правой обклад-
ки конденсатора С, а к аноду (через нуль-индикатор ЕА) — потенциал Еп
левой обкладки этого конденсатора. В этот момент начинается перезаряд
конденсатора С током, протекающим по цепи от шинки +ЕП, замкнутый
контакт К.1, конденсатор С, резистор R к шинке —Еп. Если бы диод VD
был все время заперт, то потенциал обкладок конденсатора изменился
бы на обратный, указанный на рис. 3.23, а в скобках. Напряжение ис на
обкладках конденсатора при перезаряде меняется по закону:
(3.17)
где (Тр — соответственно начальное и конечное напряжения на конденсато-
ре в случае, если бы диод VD в процессе перезаряда был все время заперт.
Для схемы, приведенной на рис. 3.23, а имеем Ux - +£п, Z72 = “Лг
График процесса перезаряда конденсатора показан на рис. 3.23, б. Ког-
да напряжение на конденсаторе перейдет через нуль (ис = 0) и изменит
б
а
Рис. 3.23. Узел выдержки времени с перезарядом конденсатора
125
свой знак, откроется диод VD и через нуль-орган ЕА потечет ток в на-
правлении, указанном стрелкой. Нуль-орган сработает и замкнет свои
контакты ЕА. Выдержка времени определяется интервалом времени от
момента замыкания контакта К.1 до момента замыкания контакта ЕА.
Подставив в (3.17) значения иг = О, U} = +Е_, иэ = —EL, получаем:
t = 7?С1п2 = 0,693ЛС. (3.18)
В
При размыкании контакта К.1 и замыкании контакта К.2 (возврат
защиты в исходное состояние — ждущий режим) происходит быстрый
заряд конденсатора С через резистор R1 с небольшим сопротивлением
и схема приходит в первоначальное состояние.
Принцип выполнения цифровых реле времени рассмотрим примени-
тельно к схеме, показанной на рис. 3.24. Она содержит генератор не-
прерывной последовательности импульсов GN, счетчик числа импуль-
сов СТ, дешифратор DC, исполнительный орган SQ и контакт запуска К.
Генератор GN вырабатывает импульсы постоянной длительности и фор-
мы, чаще всего — прямоугольной или треугольной, следующих друг за
другом с неизменной частотой f и периодом т = 1// В режиме ожидания
контакты К находятся в верхнем положении и импульсы генератора GN
поступают на входы сброса SR счетчика СТ и дешифратора DC. При
этом на выходе дешифратора DC сигнал равен логическому 0 и испол-
нительный орган SQ также находится в режиме ожидания.
Запуск реле времени происходит в момент переключения контакта К
в нижнее положение. В этом случае импульсы генератора GN поступают
на счетный вход счетчика СТ и он начинает заполняться. Дешифратор
DC фиксирует заполнение счетчика СТ до заданного заранее числа им-
пульсов N, при котором на выходе дешифратора появляется сигнал, рав-
ный логической 1, приводящий в действие исполнительный орган SQ.
Выдержка времени от момента переключения контакта К до момен-
та срабатывания исполнительного органа SQ равна tB = tN. Однако это
Рис. 3.24. Схема цифрового реле времени
126
равенство выполняется только в том случае, если момент замыкания
контакта К совпадает с генерацией импульса. Если же замыкание кон-
такта К совпадает с паузой между импульсами, то tB = t(7V— 1). В общем
случае выдержка времени
< 2 J
+ т_2ДГ-1+ 1
2 2/ 2/
(3.19)
Последний член выражения (3.19) определяет погрешность выдерж-
ки времени. Так, например, при частоте импульсов генератора GN 1 Гц
погрешность выдержки времени составит 0,5 с. Выдержку времени мож-
но регулировать изменением частоты импульсов генератора GN или
фиксируемым числом импульсов 7V, на которое настраивается дешиф-
ратор DC.
Если в качестве выходного использовать сигнал на том из выходов
счетчика СТ, на котором появляется логическая 1 при его полном за-
полнении, то дешифратор DC из схемы можно исключить. При этом
выдержка времени будет зависеть от частоты генератора GN и емкости
счетчика СТ Если используется «-разрядный двоичный счетчик с ко-
эффициентом деления (системой счисления) т, то максимальная вы-
держка времени устройства будет определяться выражением:
/в =т(?п"-1).
(3.20)
Так, например, для 5-разрядного (« = 5) двоичного (т = 2) счетчика
/в = 31т. С учетом того, что момент переключения контакта К может не
совпасть с моментом генерации импульса, выдержка времени будет оп-
ределяться выражением:
На рис. 3.25, а приведена схема модуля одной из самых первых кон-
струкций реле времени с перезарядом конденсатора, в которой роль
нуль-органа ЕА выполняет блокинг-генератор [27]. Это реле времени
управляется предшествующими каскадами релейной защиты, его вход
может подключаться, в частности, к выходу 0 реле тока, схема которого
изображена на рис. 3.18. Выдержка времени определяется временем пе-
127
резаряда конденсатора С через резисторы R1 и R2. На транзисторе VT1
собран блокинг-генератор, а транзисторы VT2 и VT3 образуют триггер,
используемый в качестве выходного органа реле.
В ждущем режиме на входе реле времени имеется отрицательный
потенциал. Диод VD1 заперт. Через переход эмиттер-база транзистора
VT1 и диод VD конденсатор С заряжается так, что потенциал его левой
обкладки равен — Uk, а правой — нулю. В триггере диод VD2 закрыт, тран-
зистор VT2 открыт отрицательным смещением через резистор R3, тран-
зистор VT3 закрыт.
Если на вход реле подать нулевой потенциал, то диоды VD1 и VD2
откроются. Диод VD4 при этом закрывается, но триггер еще не изменит
своего состояния, так как отрицательное смещение на базу VT2 про-
должает поступать через диод VD6 и резистор R5. Через диод VD1 на ле-
вую обкладку конденсатора С подается нулевой потенциал, потенциал
правой обкладки становится равным + Uk, диод VD запирается, а кон-
денсатор начинает перезаряжаться по закону (3.17), где R = Rl + R2.
Когда потенциал правой обкладки конденсатора станет равным при-
мерно ис = 0, диод VD откроется и введет в работу цепь обратной связи
блокинг-генератора. В результате развития регенеративного процесса ток
в цепи коллектора транзистора VT1 резко возрастает. Открывается диод
VD3, а диод VD6 запирается. В результате триггер переключается (откры-
вается VT3 и закрывается VT2) — реле сработало. Выдержку времени мож-
но регулировать переменным резистором R1. Реле предназначено для
создания выдержек времени до 2 с. Максимальная выдержка времени с
дополнительным внешним конденсатором может быть увеличена до 20 с.
Реле времени, которые выполнены только на полупроводниковых
элементах без трансформаторов (рис. 3.25, б) [28], являются более ком-
пактными и технологичными. В исходном состоянии транзисторы VT1,
VT3, VT4, VT5 и диоды VD2, VD3 открыты, a VT2 и VT6 закрыты. На
выходе потенциал отрицательный. Конденсатор С разряжен.
Реле времени запускается положительным потенциалом, подаваемым
на его вход. Этот потенциал закрывает транзистор VT1, при этом зак-
рывается диод VD2. Начинается заряд конденсатора С через резистор
R. Когда потенциал точки л станет ниже потенциала точки т, транзис-
тор VT2 откроется, a VT3 закроется. Закрываются при этом транзисто-
ры VT4 и VT5, а транзистор VT6 открывается. На выходе реле отрица-
тельный потенциал меняется на положительный, что и является при-
знаком срабатывания реле.
128
a
1рВыходы n 2
Рис. 3.25. Схемы полупроводниковых реле времени
Дифференциальный усилитель на транзисторах VT2 и VT3 является
пороговым элементом. Напряжение, при котором он переключается,
зависит от потенциала точки т. Этот потенциал определяется делите-
лем напряжения на резисторах Rl, R2:
u„rukW+RJ-
(3.22)
Потенциал точки п (после запирания транзистора VT1), равный на-
пряжению на обкладках конденсатора С, изменяется по закону (3.13)
при Ец = ик.
129
Выдержка времени t = ZB
определяетсяусловием«л== Um,
при котором дифференци-
альный усилитель переклю-
чается. Логарифмируя пос-
леднее выражение, получаем
с учетом выражения (3.22):
/в=АС1л(1 + А2/А1). (3.23)
о □ лг rm ю Обычно принимают Ai
Рис. 3.26. Схема реле РП-18 „ / „ 1
равным от 0,6 до 1,0 А2. Вы-
держку времени регулируют, изменяя сопротивление резистора R (до
5 МОм) или емкости конденсатора С.
На рис. 3.26 приведена упрощенная схема промежуточного реле РП-
18 с электронным блоком замедления при включении [21]. При отклю-
ченном напряжении питания, т.е. в ждущем режиме, транзисторы VT1,
VT2, тиристор VS закрыты, конденсаторы разряжены. В момент подачи
питания стабилитрон VD1 входит в режим стабилизации и на базе тран-
зистора VT1 устанавливается опорное напряжение ZTg, снимаемое с ча-
сти резистора R5. Транзистор VT1 остается закрытым, так как при раз-
ряженном конденсаторе С1 напряжение Щ близко к напряжению на
стабилитроне VD1 и эмиттер транзистора VT1 находится под более от-
рицательным потенциалом, чем его база. Конденсатор С1 начинает за-
ряжаться, а напряжение Ц уменьшаться. В тот момент, когда напряже-
ние Ц станет меньше Uq на величину от 0,3 до 0,5 В, транзисторы VT1 и
VT2 лавинообразно открываются и конденсатор С1 разряжается через
резистор R4 на управляющий электрод тиристора VS. Открытие тирис-
тора вызывает срабатывание реле KL, которое удерживается в этом со-
стоянии своими контактами KL.1. Другие контакты этого реле (на схе-
ме не показаны) используются в схеме управления и автоматики, со-
ставной частью которой является реле РП-18. Конденсаторы С2, СЗ и
С4 используются для повышения помехоустойчивости реле.
Упрощенная схема органа выдержки времени до 20 с устройства за-
щиты типа ЯРЭ-2201 приведена на рис. 3.27 [19]. В этой схеме транзис-
тор VT1 включен по схеме стабилизатора тока. Времязадающим элемен-
том является конденсатор СЗ. В качестве нуль-органа использован опе-
рационный усилитель А. Принцип действия соответствует схеме,
приведенной на рис. 3.22, а.
130
R4
+ 15 В
VD2
----f-
Вход 0/1 QR2 |
vdi Ц Ri
о-Ж
Вход 1/0
Рис. 3.27. Схема органа выдержки времени до 20 с устройства защиты ЯРЭ-2201
В ждущем режиме транзистор VT2 открыт, а конденсатор СЗ разря-
жен. Транзистор VT3 закрыт. Начало работы схемы соответствует мо-
менту подачи на вход 1/0 (базу транзистора VT2) потенциала шинки 0.
Транзистор VT2 закрывается, и конденсатор СЗ начинает заряжаться и
тем быстрее, чем меньше сопротивление R4. Когда напряжение на кон-
денсаторе СЗ достигнет величины опорного напряжения, определяемого
резисторами R6, R7, R8 и R11, напряжение на выходе операционного
усилителя А скачком изменяется от уровня, близкого к нулю, до уровня
примерно +15 В. Открывается транзистор VT3 и срабатывает выходное
герконовое реле KL. Резистор R11 осуществляет положительную обрат-
ную связь, способствующую лавинообразному изменению выходного
напряжения усилителя А. Конденсаторы Cl, С2 повышают помехоус-
тойчивость схемы.
Сочетание аналогового и цифрового способов формирования выдерж-
ки времени использовано в органе выдержки времени до 200 с, которое
также используется в устройстве защиты ЯРЭ-2201. Упрощенная схема
такого органа приведена на рис. 3.28 [21]. Она содержит генератор им-
пульсов, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и операционном уси-
лителе А с времязадающими конденсаторами СЗ, С4, и двоичный счет-
чик числа импульсов СТ2. Генератор импульсов выполнен практически
по той же схеме, что и орган выдержки времени, приведенный на рис.
3.27. При подаче на клемму «Вход» сигнала 0 транзистор VT2 запирает-
ся и конденсатор СЗ заряжается неизменным во времени током, вели-
чина которого определяется транзистором VT1, включенным по схеме
131
I-U
bJ
KL1.1 VD16
'---т—W—°
Рис. 3.28. Схема органа выдержки времени до 200 с устройства защиты ЯРЭ-2201
стабилизатора тока. Опорное напряжение задается резисторами R8, R9,
R10. Выходное напряжение операционного усилителя А скачком пере-
ключается от уровня 0 до уровня примерно +15 В в тот момент, когда
напряжение на неинверсном входе (на конденсаторах СЗ, С4) станет
равным напряжению на инверсном входе (опорному напряжению) опе-
рационного усилителя А. Переключившееся на выходе А напряжение
через резисторы R12, R13, конденсатор С6, стабилитрон VD7 и диод VD8
открывает транзистор VT2 и конденсаторы СЗ, С4 разряжаются. Опера-
ционный усилитель переключается, и весь процесс заряда начинает по-
вторяться. Длительность заряда регулируется резистором R5, а также
подключением конденсатора СЗ.
При подаче на клемму «Вход» сигнала 0 нс только запускается гене-
ратор импульсов, но и снимается сигнал сброса со входа SR счетчика
СТ2. Импульсы счета поступают на вход 10 счетчика каждый раз, когда
операционный усилитель переключается в положение, соответствую-
щее разряженным конденсаторам СЗ, С4, т.е. при напряжении на его
выходе, близком к нулю. Когда на выходах 14 и 15 счетчика СТ2 одно-
временно появятся логические сигналы 1, открывается транзистор VT3
и срабатывает реле KL1. Открытие этого транзистора соответствует так-
же подаче на вход 10 счетчика СТ2 логического сигнала 0, который ос-
танавливает счетчик вне зависимости от того, переключается генератор
импульсов или нет.
При снятии напряжения со входа схемы транзистор VT2 открывает-
ся, конденсаторы СЗ, С4 разряжаются, на вход SR счетчика подается
сигнал сброса, транзистор VT3 закрывается. Если на клемму «Запрет»
подать сигнал +15 В, то транзистор VT2 откроется независимо от нали-
чия пускового сигнала на клемме «Вход» и реле остановится.
Серийное реле времени РВ-01 запускается при подаче на его вход
напряжения питания. Выдержка времени определяется зарядом конден-
сатора по схеме, аналогичной показанной на рис. 3.26. Реле выпускаются
на диапазоны выдержек времени 0,1—1; 0,3—3; 0,1—10; 0,3—30 с. Ком-
мутационная способность контактов составляет 30 Вт для постоянного и
250 В А для переменного тока. Реле времени РВ-03 действует с замедлени-
ем при снятии напряжения. Схемы реле РВ-01 и РВ-03 приведены в [19].
Реле времени ВЛ-63—ВЛ-69 содержат генератор импульсов и счет-
чик. Выдержка времени регулируется путем изменения частоты задаю-
щего генератора G1 и коэффициента пересчета счетчика импульсов СТ
(рис. 3.29). Реле состоит из выпрямителя (диоды VD1—VD4), сглажи-
133
Рис. 3.29. Схема реле времени ВЛ-64,
ВЛ-66, ВЛ-69
вающего фильтра (резистор R1 и
конденсатор С1), стабилизатора
напряжения (резистор R3 и ста-
билитрон VD5), схемы установ-
ки счетчика в исходное состоя-
ние (транзистор VT1) и выходно-
го усилителя (транзистор VT2) с
электромагнитным реле К.
Работа реле начинается пос-
ле подачи на входные клеммы
1—2 напряжения питания.
Транзистор VT1 открывается,
разрешая работу счетчика СТ.
Генератор G1 запускается и на-
чинает заполнять импульсами счетчик СТ. При заполнении счетчика на
его выходе появляется положительный сигнал, который через резистор
R7 открывает транзистор VT2, что вызывает срабатывание реле К. Тран-
зистор VT2 закрывается только при исчезновении напряжения на клем-
мах 1—2. При этом закрывается и транзистор VT1, после чего конденса-
тор С2 разряжается, устанавливая счетчик СТ в исходное состояние.
Реле выполняются на номинальные напряжения постоянного и пе-
ременного тока 24,110,220 В. Диапазоны выдержки времени у реле ВЛ-64,
ВЛ-65 разных модификаций составляют 0,1—1; 0,3—3; 0,1—10; 0,3—30 с;
у реле ВЛ-66, ВЛ-67 и ВЛ-69 — 0,1—9,9; 1—99 с; у реле ВЛ-68 —0,1—
99,9; 1—999 с. Потребляемая мощность 4,5 ВА. Коммутационная спо-
собность контактов при напряжениях 24, 110, 220 В переменного тока
составляет соответственно для процесса включения 8; 6; 5 А, а для про-
цесса отключения 0,8; 0,6; 0,5 А (нагрузка индуктивная). При постоян-
ном токе для включения и отключения токи соответственно равны 0,8;
0,16; 0,08 А. Время повторной готовности составляет около 0,3 с.
По выполняемым функциям реле ВЛ-63 является однокомандным с
выдержкой времени на включение, отключение или циклическим
(включение — отключение). Реле ВЛ-64, ВЛ-66, ВЛ-68, ВЛ-69 являют-
ся однокомандными с выдержкой времени на включение, а реле ВЛ-67
на отключение. Реле ВЛ-65 является циклическим, оно производит по-
очередное включение и отключение нагрузки через заданное время.
Разработана и освоена производством (ОАО «ВНИР») новая серия
реле времени РСВ18 с выдержкой на включение или отключение [150].
134
Реле этой серии являются комбинированными: они содержат блок пи-
тания, электронный или микропроцессорный блок управления и испол-
нительное (выходное) электромагнитное реле. Реле времени РВС18 с
выдержкой на включение изготавливаются со следующими диапазона-
ми выдержки времени: 0,1—1,0; 0,3—3,0; 1—10; 3—30 с. У реле РСВ18-23
с выдержкой на отключение последний диапазон равен от 2 до 20 с. Реле
РСВ18 могут использоваться для замены реле времени типов РВ100,
РВ200, ЭВ100, ЭВ200 и аналогичных.
3.4. Схемы сравнения двух и более электрических величин
К входу реле могут быть подведены два тока или два напряжения.
Наиболее распространенными реле такого типа являются реле сопро-
тивления (KZ) и реле направления мощности (KW), измерительные цепи
которых (рис. 3.30, а) присоединяют к вторичным обмоткам трансфор-
маторов напряжения и тока защищаемой линии. Структурная схема
подобных реле (рис. 3.30, б) содержит измерительную схему ИС, к ко-
торой подводятся величины £/р и /р, схему сравнения СС и логическую
часть ЛЧ. Измерительная схема ИС выполняется в виде двух трансфор-
маторов так, как это показано на рис. 2.15, а. Схема сравнения имеет
два входа, на которые поступают синусоидальные напряжения U\ и _t/2,
сформированные в ИС в соответствии с выражениями (2.19) и (2.21).
Два входных сигнала (два тока) могут подходить также к дифферен-
циальным реле тока с торможением (KAZ). Один из этих сигналов (/р)
является рабочим, другой — тормозным (ZT). Реле срабатывает, если ра-
бочий сигнал превышает величину уставки (7р > /у). Тормозной сигнал
воздействует на уставку 7у. С увеличением ZT, как правило, возрастает 7у.
Такие реле используются в защитах трансформаторов и могут приме-
няться в защитах контактных сетей переменного тока.
а
б
Рис. 3.30. Схема подключения реле сопротивления (а) к сети с двусторонним
питанием и структурная схема реле (б)
135
В защитах электрических сетей высокого напряжения и контактных
сетей широко используются реле направления мощности и реле сопро-
тивления. Ко входам этих реле от трансформаторов напряжения и тока
подводятся две электрические величины — соответственно j7p и /р. В за-
висимости от их соотношения реле KW и KZ срабатывают или не сра-
батывают. Условия срабатывания этих реле удобно и наглядно представ-
лять графически. Для этой цели вводят условную величину Z^, опреде-
ляемую как отношение сигналов и /р:
U U .
Zn = =2- = -*-eJV = Z eJV> = R + jX ,
Lv I р р р
(3.24)
где Z? — модуль отношения С/р к 1р (сопротивление, измеряемое реле);
Лр, Лр — соответственно активная и индуктивная составляющие отноше-
ния входных сигналов Up и /р;
Фр — угол между векторами и /р.
Анализ характеристик Zcp (фр) на комплексной плоскости. Характери-
стики и свойства подобного рода реле удобно рассматривать в комплек-
сной плоскости сопротивлений Z Как следует из формулы (3.24), со-
противление Zp является комплексной величиной и состоит из действи-
тельной (вещественной) Я? и мнимой составляющих. Из курса
математики известно, что комплексная величина Zp может быть пред-
Рис. ,3.31. Комплексная плос-
кость сопротивлений
ставлена в виде вектора ОЛ на плос-
кости комплексной переменной (ком-
плексной плоскости) Z, как показано
на рис. 3.31. По действительной оси
этой плоскости откладывают актив-
ные, а по мнимой -- реактивные со-
ставляющие. Положение вектора Zp
на комплексной плоскости зависит от
величин /р, фр и определяется, сле-
довательно, режимом работы элект-
рической системы.
Рассмотрим некоторую линию
электропередачи с двусторонним пи-
танием (см. рис. 3.30, а). На подстан-
ции П2 имеется реле KZ, к которому
через трансформаторы напряжения
136
TV и тока ТА подводятся U? и / Пусть в нормальном режиме мощность
в линии направлена от шин П2 к шинам ПЗ. Примем это направление
мощности за положительное (см. сплошную стрелку на рис. 3.30, а).
Совместим начало координат комплексной плоскости с местом уста-
новки реле KZ и изобразим на ней вектор сопротивления на зажимах
реле в нормальном режиме Z^H (рис. 3.32). При активно-индуктивной
нагрузке угол фрн не превышает, как правило, 20—40°, однако в некото-
рых режимах, например, при пусках мощных двигателей, он может быть
и больше. Вектор ZpH располагается в квадранте Iкомплексной плоско-
сти Z. В зависимости от значения и характера нагрузки конец вектора
ZpH может оказаться в любой точке области Н. При активно-емкостной
нагрузке конец вектора ZpH может смещаться в квадрант IV.
Для режима короткого замыкания в линии характерно увеличение
угла фрк до 50—80°. Сопротивление на зажимах реле в этом режиме
обозначим 2^к. Если КЗ происходит, например, в точке К1 (см. рис. 3.30, а),
то направление мощности по условию положительно, поэтому вектор
ZpK -_ZpKi будет находиться в квадранте I комплексной плоскости (см.
рис. 3.32). В зависимости от места замыкания на участке П2—ПЗ конец
вектора ZpKj может оказаться в любой точке области К1. Если же КЗ
произойдет на участке П1—П2, например в точке К2 (см. рис. 3.30, а),
то направление мощности на участке, где установлена защита, изменится
на противоположное (штриховая стрелка на рис. 3.30, а).
В этом случае вектор ZpK2
переместится в область К2,
расположенную в квадранте
Ш комплексной плоскости
(см. рис. 3.32).
Очевидно, что когда ко-
нец вектора Zp =_ZpH нахо-
дится в области Я (нормаль-
ный режим работы), реле не
должно срабатывать. Если же
конец вектора Zp -_ZpK попа-
дет в область К1 или К2 (ре-
жим короткого замыкания),
реле должно сработать. В ряде
случаев для обеспечения се-
лективности требуется, что-
Рис. 3.32. К анализу сопротивлений,
измеряемых защитой
137
бы реле срабатывало только если конец вектора ==_ZpK попадет в об-
ласть К.1, и не срабатывало, если он попадет в область К2.
Совокупность точек комплексной плоскости, соответствующих дей-
ствию реле, называется областью срабатывания, а совокупность осталь-
ных точек —' областью несрабатывания. Зоны срабатывания и несраба-
тывания разделяет граничная линия, которая называется характерис-
тикой срабатывания реле в комплексной плоскости или угловой
характеристикой. Пусть, например, характеристика реле имеет вид ок-
ружности 1. Если конец вектора сопротивления Zp попадет внутрь ок-
ружности, реле сработает, а если он окажется вне окружности — не сра-
ботает. В том случае, когда необходимо, чтобы реле срабатывало при
попадании конца вектора Zp только в область К1, выбирают для реле
такую форму характеристики, чтобы область К1 оказалась внутри зоны
срабатывания, а области Н и К2 — вне ее.
Характеристика 1 удовлетворяет этим требованиям для тех условий,
когда область Н ограничена слева сплошной линией, приведенной на
рис. 3.32. Однако если нагрузка линии в нормальном режиме увеличит-
ся, то граница зоны Н сместится влево (штриховая линия 2) и характерис-
тика 1 уже не будет удовлетворять поставленным условиям. В этом случае
придется применять реле с более сложной формой характеристики.
Математическое описание характеристик. При построении (констру-
ировании) измерительных органов, реагирующих на подведенные ве-
личины t/p и / а также исследовании поведения защит при КЗ и рабо-
чих режимах, анализе их свойств при нестационарных процессах и в
других случаях используют аналитические зависимости, описывающие
форму и расположение на комплексной плоскости характеристик реле.
Общая теория аналитического описания характеристик реле, сравни-
вающих две подведенные электрические величины, основана на дроб-
но-линейном преобразовании конформных отображений [60, 75]. Для
описания вида и формы наиболее распространенных характеристик
используются также уравнения, записанные в комплексной форме, в
прямоугольной или полярной системе координат [12, 16].
Большое распространение получили реле с характеристиками в виде
окружностей и прямых линий (рис. 3.33). Такие характеристики реали-
зуются наиболее простыми техническими средствами. На рис.3.33, а
изображена характеристика в виде окружности, центр которой 0j не со-
впадает с началом координат 0 комплексной плоскости Z. Окружность
радиуса R с центром 0j, отстоящим от начала координат 0 на расстоя-
нии р, описывается уравнением
138
Рис. 3.33. Характеристики срабатывания реле сопротивлений на комплексной
плоскости
Z2p-2Zcppcos(cpp-a) + p2-/?2 =°, (3.25)
где a — угол между осью действительных чисел и диаметром окружности пт >
проходящим через начало координат (угол максимальной чувствительности);
Zcp — расстояние от начала координат 0 до окружности при данном значе-
нии фр;
р - 001 — расстояние от начала координат до центра окружности;
R = 01 т — радиус окружности.
Обозначим Z' = Л + р = 0/и , Z* = R - р = 0л, тогда вместо выражения
(3.25) получим
Z2 - Z (Z'~ Z")cos(q)p - a) - Z'Z' = 0. (3.26)
139
Уравнение той же окружности в комплексной форме имеет вид:
Zcp-0,5(Z'+Z') = 0,5Z'-Z'
(3.27)
Изменяя параметры Z' Z", а, можно менять диаметр окружности и
перемещать ее центр в различные точки комплексной плоскости. Так,
при Z' = Z" из выражения (3.25) получаем характеристику реле полного
сопротивления (рис. 3.33, б), которая не зависит от угла между подве-
денными электрическими величинами:
или
(3.28)
(3.29)
Реле срабатывает при Z^ < Z^. Приняв в выражениях (3.26) и (3.27) Z"=0,
получим характеристику направленного реле сопротивления (рис. 3.33, в)\
или
Zcp - Z'cos(<pp - а) = О
(3.30)
(3.31)
Реле с такой характеристикой не реагирует на короткие замыкания,
при которых вектор сопротивления располагается в квадранте III ком-
плексной плоскости. При использовании направленных реле сопро-
тивления отпадает необходимость применять реле направления мощ-
ности. Само же реле направления мощности, характеристика которого
приведена на рис. 3.33, г, можно рассматривать как частный случай на-
правленного реле сопротивления при Z', равном бесконечности:
cos (фр -а) = 0
(3.32)
или
Zcn + Z — 0,5 Zcn - Z
(3.33)
В уравнении (3.33) под Z' следует понимать произвольный вектор,
проведенный под углом 90 градусов к прямолинейной характеристике
этого реле.
140
Реле направления мощности реагирует на угол между подведенны-
ми величинами. Область срабатывания -(Pj <Фр <n-(Pj заштрихована.
Зона изменения углов <рр, при которых срабатывает реле направления
мощности, определяется углом между лучами граничной линии, выхо-
дящими из начала координат (в данном случае он равен 180е). Зону сра-
батывания можно сузить, если уменьшить угол между лучами до л—р
(рис. 3.33, д). Характеристика в виде прямой линии (рис. 3.33, е) описы-
вается уравнением:
или
Z COS((p
ср Р
-a)-Z' = 0
(334)
(3.35)
где Z'-От — длина перпендикуляра, опущенного из центра координат 0 на
прямую. Если принять Z' = 0, то граничная линия пройдет через начало коор-
динат, что соответствует характеристике срабатывания реле направления мощ-
ности (3.32) и (3.33).
Схемы сравнения двух входных электрических величин. В схемах срав-
нения могут сравниваться абсолютные значения подведенных величин,
их фазы или те и другие одновременно. При сравнении абсолютных зна-
чений условие срабатывания имеет вид
1^11-1^1^0,
(3.36)
где Uv U2 “ напряжения на выходе входного блока защиты, приведенного на
рис. 2.15, а.
Схема сравнения входных величин Uy и по фазе применяется для
периодических сигналов, имеющих одинаковую частоту. Условие сра-
батывания имеет вид
<Р1<Х1+Х2<<Р2’
(3-37)
где фр ф2 — заданные постоянные углы;
Л1 +Х2 — фазовый угол между входными сигналами Uy и U2 (см. рис. 2.15, б).
Дифференциально-выпрямительные схемы сравнения. Эти схемы но-
сят название также схем сравнения абсолютных значений сигналов.
Схема сравнения абсолютных значений входных величин оперирует
141
постоянными напряжениями (или токами). Поэтому, чтобы осуществить
сравнение периодических величин (сигналов), их необходимо предва-
рительно выпрямить и сгладить. Структурная схема подобного устрой-
ства (рис. 3.34, а) содержит измерительную схему ИС, выпрямители VD1
и VD2, сглаживающие устройства ZI1 и ZI2, нуль-орган ЕА и выходной
орган ВО. Выпрямители, сглаживающие устройства и нуль-орган обра-
зуют схему сравнения СС абсолютных значений входных сигналов |С/д |
и U_2 • Схема сравнения СС срабатывает (переключается) при условии
(£1 > IJ_2 и не срабатывает, если это условие не выполняется.
Поскольку входные сигналы, поступающие на нуль-орган, предва-
рительно выпрямляются и сглаживаются, то очевидно, что сравнивае-
мые периодические сигналы могут иметь как одинаковую, так и раз-
личные частоты. Возможно также сравнение периодического сигнала с
постоянным или двух постоянных сигналов.
Имеются две разновидности рассматриваемой схемы сравнения: с
циркуляцией токов (рис. 3.34, б) и реагирующая на равновесие напря-
жений (рис. 3.34, в). При |C/j = t/2| ток в нуль-органе первой из них
(разновидностей) равен 0, если Z^ +R^ = Z<2+R2
а во второй — если
2 ток в нуль-органе протекает в
— в об-
направлении, соответствующем срабатыванию, а при < U_
Рис. 3.34. Схемы сравнения абсолютных значений входных величин
142
ратном направлении. Конденсаторы С, С1 и С2 служат для сглажива-
ния выпрямленных токов и напряжений.
Если условие | < U2
соответствует области несрабатывания, а ус-
ловие |£1|>|£
—2
— области срабатывания, то уравнение граничной ли-
нии характеристики реле на комплексной плоскости соответствует зна-
ку равенства в выражении (3.36).
Подключим схему сравнения СС абсолютных значений входных ве-
личин через согласующие трансформаторы TLA и TLV во вторичные цепи
измерительных трансформаторов тока и напряжения (рис. 3.35). В каче-
стве схемы сравнения может быть использована любая из показанных
на рис. 3.34. Для схемы, приведенной на рис. 3.35, имеем Д = к^, Ц2 =
^ZZp, где Zp, Z7p — ток и напряжение, подводимые к реле; /4., к^ — коэф-
фициенты преобразования соответственно тока и напряжения в напря-
жение с учетом коэффициентов передачи схемы. Величина коэффици-
ента кт регулируется числом витков вторичной обмотки согласующего
трансформатора TLA и переменным резистором R1, а коэффициента
ки — числом витков трансформатора TLV и потенциометром R2.
Для схемы, приведенной на рис. 3.35, граничное условие срабатыва-
ния (3.36) принимает вид:
к
т
-ср
игп
х-ср
или
н
= 0
где 1ср — соответственно ток /р и напряжение Д, на границе срабатывания.
Обозначим
ср
Тогда условие срабатывания прини-
мает вид Z'—Zcp = 0 или Zcp — Z' = 0,
что совпадает с выражением (3.28). От-
сюда следует, что на рис. 3.35 приведе-
Рис. 3.35. Схема реле сопротив-
ления
на схема реле полного сопротивления
с угловой характеристикой, показан-
143
ной на рис. 3.33, б. Если же какую-либо из схем сравнения абсолютных
значений (см. рис. 3.34) подключить ко вторичным цепям трансформа-
торов тока и напряжения соответственно с током /р и напряжением Ц?
через входной блок, приведенный на рис. 2.15, то можно получить и
другие угловые характеристики в виде прямых и окружностей, показан-
ных на рис. 3.33 (кроме рис. 3.33, д).
Нуль-органы. Для того чтобы граничная линия была стабильной, не-
обходимо применять нуль-орган с очень высокой чувствительностью:
его мощность срабатывания не должна превышать, как правило, значе-
ний от 10~4 до 10-6 Вт. Нуль-орган должен обладать направленностью
действия, т.е. срабатывать только при одном направлении тока в нем
(или одной полярности приложенного к его зажимам напряжения), быть
достаточно быстродействующим (собственное время срабатывания не
более 5—10 мс), простым и надежным.
Большой чувствительностью обладают нуль-органы на основе маг-
нитоэлектрических герметизированных реле. Мощность срабатывания
таких нуль-органов достигает 10““^10“9 Вт и для их работы не требует-
ся дополнительного источника питания. В то же время магнитоэлект-
рическая система не развивает опрокидывающего момента, поэтому за-
мыкание контактов может быть недостаточно надежным; контактная
система не позволяет коммутировать токи выше нескольких десятков
миллиампер. Для возврата в исходное положение через реле надо про-
пускать ток, направление которого противоположно определяемому ус-
ловием срабатывания (это усложняет схему защиты); реле имеет время
срабатывания, исчисляемое десятками миллисекунд [60].
Для транзисторных нуль-органов требуется дополнительный источ-
ник питания. Однако они проще, дешевле и надежнее магнитоэлектри-
ческих реле, могут выполняться с достаточно мощным контактным (гер-
коны) или бесконтактным (тиристоры) выходом, при отсутствии сиг-
нала на входе самостоятельно переключаются в исходное состояние,
имеют на порядок меньшее время срабатывания. Применение в нуль-
органах операционных усилителей, выполненных на основе интеграль-
ной микроэлектроники, позволяет получить мощность срабатывания от
10~6 до 10“7 Вт. В установках со значительным объемом автоматизации
производственных процессов, в частности на тяговых подстанциях элек-
трического транспорта, релейная защита использует те же источники
оперативного постоянного тока, что и другие устройства автоматики.
Кроме того, наличие дополнительного источника питания позволяет
144
Рис. 3.36. Схема транзисторного нуль-
органа
выполняется в основном с примене-
широко применять в релейной
защите типовые логические и
функциональные элементы,
выполненные на транзисторах
или интегральных микросхе-
мах, что существенно расши-
ряет ее возможности и улуч-
шает свойства. Поэтому в ус-
тройствах электроснабжения
железнодорожного транспор-
та электронная релейная защита
нием полупроводниковых нуль-органов.
Схема транзисторного нуль-органа приведена на рис. 3.36. При от-
сутствии входного сигнала /вх транзистор VT1 открыт и насыщен, тран-
зистор VT2 закрыт, потенциал выхода отрицателен. Для надежного зак-
рытия транзистора VT2 потенциал его эмиттера смещен за счет падения
напряжения на диоде VD2. Транзистор VT1 открыт током базы, кото-
рый от плюсовой шины протекает по сопротивлениям R2 и R5. Изме-
нением сопротивления резистора R1 подбирается такая величина тока
через диод VD1, чтобы потенциалы точек т и п были одинаковыми. В
этом случае температурные изменения величины падения напряжения
в цепи эмиттер—база транзистора VT1 компенсируется практически
таким же падением напряжения на диоде VD1 и чувствительность нуль-
органа значительно изменяться не будет.
При наличии входного сигнала определенной величины (10—50 мкА)
транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 — открывается, при этом
потенциал выхода становится положительным. Для обеспечения скач-
кообразного изменения потенциала (релейного эффекта) в схеме ис-
пользуется положительная обратная связь, реализуемая резистором R5.
Значительно лучшие и более стабильные параметры имеют нуль-
органы на операционных усилителях [21, 22]. На рис. 3.37 приведены
схемы использования операционных усилителей в качестве нуль-орга-
нов для сравнения двух сигналов. В схеме, приведенной на рис. 3.37, а
осуществляется сравнение двух выпрямленных сигналов 6гвх1 и Z7bx2
одинаковой полярности, минус которых соединен с корпусом. Если сиг-
нал URX^ меньше сигнала U^, т напряжение на выходе изых равно наи-
большему положительному значению 4-Ц^ вых. Если же сигнал {/вх1 пре-
вышает величину С7вх2 хотя бы на несколько милливольт (от 3 до 4 мВ), то
145
Рис. 3.37. Нуль-органы на операционных усилителях
из-за большого коэффициента усиления происходит скачкообразное
переключение выходного сигнала, который становится равным наиболь-
шему отрицательному значению — t/max ВЪ1Х. Для согласования операци-
онного усилителя с последующими каскадами в ряде случаев требуется
ограничить величину С7ВЫХ. Это осуществляется с помощью двухполяр-
146
ного стабилитрона VD3, в цепи обратной связи. Без него выходное на-
пряжение равно напряжению питания схемы +£п или —Еп. Диоды VD1
и VD2 защищают дифференциальный вход операционного усилителя
от больших уровней входных сигналов.
Схема нуль-органа, приведенная на рис. 3.37, б, сравнивает два вып-
рямленных напряжения (/вх1 и £/вх2 разной полярности. Если в этой схе-
ме убрать сигнал UBX£ и резистор R2, то она будет реагировать на изме-
нение полярности входного сигнала С^х1. Такой нуль-орган можно под-
ключить к точкам т и п схем сравнения, показанных на рис. 3.34, б и в,
заменив в них предварительно блок ЕА на резистор.
Нуль-органы, приведенные на рис. 3.37, а и 5, требуют, чтобы вход-
ные сигналы (7вх1, /7вх2 были хорошо сглажены фильтрами. Это приво-
дит к замедлению действия реле, что может быть нежелательно. В пане-
лях защит ЭПЗ-1636м используется нуль-орган с двумя операционны-
ми усилителями А1 и А2, схема которого показана на рис. 3.37, в [76].
При отсутствии входного сигнала £7ВХ напряжение Ц на выходе уси-
лителя А1 положительно и конденсатор С заряжен до напряжения, оп-
ределяемого падением напряжения на открытом диоде VD1. Если на-
пряжение J7BX превысит порог срабатывания усилителя А1 (около 60 мВ),
то последний переключается и напряжение становится отрицатель-
ным, что ведет к перезаряду конденсатора. Когда напряжение на кон-
денсаторе станет отрицательным и равным падению напряжения на ре-
зисторе R6, операционный усилитель А2 переключается и открывает
транзистор VT. При этом срабатывает выходное реле KL. Положитель-
ная обратная связь через резистор R7 удерживает А1 в сработанном со-
стоянии и обеспечивает требуемый коэффициент возврата.
Схема работает следующим образом. Входное напряжение (/вх явля-
ется разностью выпрямленных напряжений схемы сравнения, приве-
денной на рис. 3.34, в. При слабом сглаживании этих напряжений в сиг-
нале UBX имеется как постоянная, так и переменная составляющие.
Вблизи границы срабатывания постоянная составляющая может быть
меньше амплитуды переменной составляющей.
На рис. 3.37, г приведена диаграмма напряжений схемы. Как только
входное напряжение UBX превысит порог срабатывания усилителя А1 £/0,
он переключается в положение, при котором напряжение Uy отрица-
тельно. Пока постоянная составляющая в сигнале UBX мала (левее точ-
ки а), длительность отрицательного значения напряжения мала и
конденсатор С не успевает перезарядиться до напряжения срабатыва-
147
ния усилителя А2. С увеличением постоянной составляющей в сигнале
^вх (иР3306 точки а) длительность интервала, при котором напряжение
Ц отрицательно, увеличивается и конденсатор С успевает перезарядить-
ся до напряжения срабатывания усилителя А2. В этой схеме пульсации
входного напряжения fZBX не влияют на ее работу и не вызывают вибра-
ции контактов реле KL. Длительность отрицательного значения сигнала
Uy для обеспечения срабатывания А2 принята 15 мс для отстройки от пе-
реходных процессов, в том числе при насыщении трансформаторов тока.
По сравнению с транзисторными нуль-органы на операционных уси-
лителях имеют на несколько порядков большее входное сопротивление
и, по крайней мере, на порядок меньшее входное напряжение переклю-
чения, а также более высокую температурную стабильность.
Демодуляторные схемы сравнения. Такие схемы реагируют на фазу и
предполагают использование так называемых фазочувствитсльных вып-
рямителей. На рис. 3.38, а, б, в, г приведены схемы диодного фазочув-
ствительного выпрямителя (симметричного кольцевого модулятора) и
волновые диаграммы токов и напряжений [19,75]. Клеммы входных на-
Рис. 3.38. Диодный фазочувствительный выпрямитель (кольцевой модулятор)
148
пряжений Д и (рис. 3.38, а) в общем случае подключаются к выход-
ным зажимам входного блока, приведенного на рис. 2.15. Для реле на-
правления мощности, а также в ряде других случаев эти клеммы через
согласующие трансформаторы подключаются непосредственно во вто-
ричные цепи измерительных трансформаторов тока и напряжения. Для
более точной работы стремятся выполнить условия Z\ = = Z, R1 = R2
= R3 = R4 = R^, R5= R6 = R7 = R8 = Rд. Вместо делителей R5, R6 и R7,
R8 можно использовать согласующие трансформаторы с нулевой точ-
кой на вторичных обмотках (рис. 3.38, в).
То из выходных напряжений Д и которое имеет большее значе-
ние, является управляющим, а то из них, которое имеет меныпую вели-
чину, — управляемым. Управляющее напряжение переключает диоды
из открытого состояния в закрытое, а ток в нагрузке /но определяется
управляемым напряжением. Если, например > |(72 , то управляю-
щим является напряжение Д. Его положительная полуволна открыва-
ет диоды VD3 и VD4, а диоды VD1 и VD2 закрывает; отрицательная по-
луволна — открывает диоды VD1 и VD2, а диоды VD3 и VD4 закрывает.
Под влиянием управляемого напряжения Д через открытые диоды и
сопротивление нагрузки 7^ протекает ток /но. Форма тока в нагрузке
(при отсутствии сглаживающего фильтра) показана на рис. 3.38, г для
случаев, когда напряжения Д и Д совпадают по фазе (у = 0) и когда
фазовый угол у между ними равен 90° (у = тт/2).
Напряжение на нагрузке До = /но7?н носит пульсирующий характер
и содержит существенную гармонику двойной частоты. Она особенно ска-
зывается вблизи границы срабатывания, поэтому выходное напряжение
необходимо сглаживать. С этой целью может быть использован, напри-
мер, сглаживающий фильтр КфС (показан пунктиром на рис. 3.38, а). Для
получения высокой чувствительности диодный мост должен выполняться
с большой степенью симметрии, и поэтому хотя бы один из резисторов,
включенных последовательно с диодами, должен быть регулируемым.
Среднее значение напряжения на нагрузке при условии U~\
2V2
=------U^n cosw,
НО >гг 2 сх
> U_21 равно:
(3.38)
где — коэффициент передачи напряжения схемы.
149
В том случае, если U_y < U_2
, то вместо (3.38) имеем
2V2 гг
=-----U.n COSW.
но ГГ 1 сх
(3.39)
Коэффициент передачи напряжения исх при условии Z]=Z2=Z, R1 =
R2 = R3 = R4 == Rg, R5 = R6 = R7 = R8 = R равен [77]:
п
сх
2R
н
(3.40)
Для той же схемы, если вместо резисторов R5, R6 и R7 , R8 исполь-
зуются согласующие трансформаторы TL1 и TL2 (см. рис. 3.38, б), этот
коэффициент равен:
2R
(3.41)
+ 7^+2^
где п — коэффициент гране формации согласующих трансформаторов.
Аналогом кольцевого модулятора, выполненного на бескорпусных
транзисторах в диодном включении, является микросхема 435МА1.
Значительно более высокими значениями стабильности и коэффи-
циента передачи напряжения обладают фазочувствительные выпрями-
тели на транзисторах. Одна из таких двухполупериодных схем приведе-
на на рис. 3.39, а. Транзисторы в ней выполняют роль ключей. Напря-
жение U2 является управляющим. Его положительная полуволна
открывает транзисторы VT3 и VT4 и закрывает транзисторы VT1 и VT2.
Под влиянием напряжения Uy через резистор с сопротивлением нагрузки
R^ (показана на рис. 3.39, а пунктиром) протекает ток /но.
Форма тока в нагрузке (при отсутствии сглаживающего фильтра)
показана на рис. 3.39, б для случая, когда между напряжениями Uy и
фазовый угол равен у. Для сглаживания пульсаций необходим фильтр
(сглаживающий R^^C-^wibTp показан на рис. 3.39, а пунктиром).
150
Рис. 3.39. Транзисторный фазочувствительный выпрямитель
Среднее напряжение на нагрузке вычисляют по формуле (3.39) при
(3.42)
где Z — предвключенное сопротивление (например, выходное сопротивление
фазоповоротной схемы).
В том случае, если вместо делителя из двух сопротивлений Ид ис-
пользуется согласующий трансформатор TL2 с коэффициентом транс-
формации лис выведенной средней точкой во вторичной обмотке (см.
рис. 3.38, в), то коэффициент передачи напряжения схемы
(3.43)
Схемы фазочувствительных выпрямителей на операционных усили-
телях можно реализовать также на типовых интегральных микросхемах
синхронных детекторов, в частности К.174ХАУ и др.
При необходимости искусственно сдвинуть фазовый угол между на-
пряжениями Uy и U} используют конденсаторы С1 и С2 во входном блоке
(см. рис. 2.15, а). Если же входной блок выполнен иначе, например в
виде трансформаторов ТЫ и TL2, вторичные обмотки которых не свя-
заны между собой, а сердечники не имеют воздушных зазоров, то мож-
но применить фазоповоротные схемы (устройства) ФПУ, показанные
на рис. 3.40, а, б [60].
151
Рис. 3.40. Фазоповоротные схемы
Фазовый угол а между выходным U'n входным Uнапряжениями из-
меняется при регулировании переменными резисторами R в диапазоне
0<a<Tt, причем в схеме, приведенной на рис. 3.40, а сопротивления обо-
их резисторов всегда должны быть одинаковыми. В режимах, близких к
холостому ходу, для схемы, показанной на рис. 3.40, а, имеем
^==eJa, (3.44)
п
а для схемы, приведенной на рис. 3.40, б,
l/=^-eJ'a, (3.44х)
2п
где п — коэффициент трансформации промежуточного трансформатора TL.
В этих режимах угол а равен:
а = 2arctg—- = 2arctg-
R uCR
(3.45)
а величина сопротивления R при заданных величинах а и С определяет-
ся соотношением
Л=^С'Е7=^МЕТ <146)
Выходное сопротивление фазоповоротного устройства, приведенного
на рис. 3.40, а, равно
Z. = 2Х cos 0,5а,
фпу с ’
а для устройства, показанного на рис. 3.40, б,
-X cos 0,5а.
фпу с
(ЗА!)
(3.47х)
152
Простейшее фазоповоротное устройство на операционном усилителе
показано на рис. 3.40, в. Изменение угла а в пределах от 0 до 120“ осуще-
ствляется резистором R. Другие схемы и их расчет приведены в [23, 73].
Среднее напряжение на нагрузке в схеме, состоящей из фазоповорот-
ного устройства ФПУ и фазочувствительного выпрямителя, зависит от
места включения ФПУ. С его помощью можно поворачивать либо вектор
Д, либо вектор j72. Кроме того, величина напряжения зависит от схемы
фазочувствительного выпрямителя. Структурная схема реле с фазочув-
ствительным выпрямителем UR, содержащая фазоповоротное устройство
Ucp, сглаживающий фильтр ZI и нуль-орган ЕА, показана на рис. 3.41.
Для диодного фазочувствительного выпрямителя (см. рис. 3.38, а), вклю-
ченного по схеме, приведенной на рис. 3.41, а, при имеем
Z7 =-------U2п cos(v + a), (3.48)
MU ?£ Z СЛ
а при
и =--------Un cos(v + a). (3.49)
MU 1 LA
Если этот же фазочувствительный выпрямитель включен по схеме,
приведенной на рис. 3.41, б, то при | > U-2
имеем на нагрузке:
(7 =-----U2n cos(y-a), (3.50)
MU СЛ
а при
Рис. 3.41. Структурные схемы реле с фазочувствительным выпрямителем
и фазоповоротным устройством
153
^но=— ^«Cxcos(v-a). (3.51)
J и
Напряжение на выходе транзисторного фазочувствительного выпрями-
теля (см. рис. 3.39, а), включенного по схеме, приведенной на рис. 3.41, а,
определяется по формуле (3.49), а включенного по схеме, приведенной
на рис. 3.41, б, — по формуле (3.51). В приведенных формулах коэффи-
циент схемы исх вычисляют по выражениям (3.40), (3.41), (3.42), (3.43),
в которых принимают Z = Z(j)ny. Сопротивление фазоповоротного уст-
ройства находят по формулам (3.47) или (3.47').
На выход устройства, схемы которого приведены на рис. 3.41, включа-
ют нуль-орган, срабатывание которого происходит при условии > 0.
Подключив входы t/j и во вторичные цепи трансформаторов тока и
напряжения так, как показано на рис 3.35, получим реле направления
мощности, что следует из сравнения формулы (3.32) с выражениями
(3.50) и (3.51) при t/H0 = 0. Если же фазочувствительный выпрямитель
подключить к цепям с током Zp и напряжением j7p через входной блок,
приведенный на рис. 2.15, то можно получить реле сопротивления с уг-
ловыми характеристиками в виде прямых или окружностей, показан-
ных на рис. 3.33 (кроме рис. 3.33, д).
Недостатком реле со схемой, приведенной на рис. 3.41, является на-
личие сглаживающего фильтра ZI, из-за которого собственное время
срабатывания реле может возрасти в некоторых случаях до 30—40 мс.
Этот недостаток является общим как для реле на основе использования
фазочувствительных выпрямителей, так и для реле дифференциально-
выпрямительной системы. Однако быстродействие реле с фазочувстви-
тельным выпрямителем можно значительно (по крайней мере — вдвое)
увеличить. Для этого из схемы, приведенной на рис. 3.41, исключается
сглаживающий фильтр ZI, а нуль-орган ЕА вместо контроля за посто-
янной составляющей напряжения i/H0 должен контролировать длитель-
ность /но положительных (или отрицательных) полуволн выходного сиг-
нала /н или £/но (см. рис. 3.38, в и рис. 3.39, б). При этом срабатывание
нуль-органа может происходить, если соблюдается условие 0<о)/н0<л.
В этом случае, очевидно, происходит не контроль абсолютного значе-
ния выходного сигнала фазочувствителъного выпрямителя, а контроль
фазового сдвига между напряжениями Щ и Если на входы реле по-
даются сигналы Щ = к^ kHUp, то приведенное условие соответ-
ствует характеристике реле направления мощности (рис. 3.33, г). Мож-
154
но выполнить нуль-орган так, чтобы он срабатывал при условии (3.37),
т.е. -ш^но — Ф2 9 пРичем Ф1>0, а ф2<л. Тогда угловая характеристика
реле примет вид, показанный на рис. 3.33, а. Использование фазочув-
ствительного выпрямителя с таким нуль-органом при подведенных ве-
личинах^ и сформированных из 7р и входным блоком (рис. 2.15)
в соответствии с формулой (2.20), позволяет получить угловые характе-
ристики, отличающиеся от окружности и прямой, например в виде эл-
липса, гиперболы, кардиоиды и др.
Дифференциально-демодуляторные схемы сравнения. В этих схемах
один из выпрямителей VD1 или VD2, показанных на рис. 3.34, б и в,
заменяется на фазочувствительный выпрямитель. Структурные схемы
таких устройств приведены на рис. 3.42. В схеме, приведенной на рис.
3.42, а, на выходе фазочувствительного выпрямителя UR имеем CTj =
Zcr/pcos(cpp—а), а на выходе выпрямителя UZ С72 = k^U^, где к?, кн — ко-
эффициенты пропорциональности, учитывающие коэффициенты
трансформации промежуточных трансформаторов TLA, TLV и коэффи-
циенты передачи схем выпрямления; фр — фазовый угол между подве-
денными к реле входными величинами 7р и j7p; а *— фазовый сдвиг, оп-
ределяемый фазоповоротным устройством U^. Граничное условие сра-
батывания нуль-органа ЕА имеет вид (3.36) при знаке равенства, или
Wpcos(<pp-a)-^t/p=0. (3.52)
Разделим правую и левую части этого выражения на kJ и примем
во внимание, что к /к при граничных условиях срабатывания
т н
^р/^р “^ср • Тогда вместо (3.52) получим выражение (3.30), что соот-
Рис. 3.42. Структурные схемы дифферснциально-демодуляторных реле
сопротивления
155
ветствует угловой характеристике направленного реле сопротивления
(рис. 3.33, в).
В схеме, приведенной на рис. 3.42, б, изменены места подключения
выпрямителя UZ и фазочувствительного выпрямителя UR к трансфор-
маторам TLA и TLV. Для этой схемы , U2 = cos(cpp - ос).
Для условий срабатывания Ц — = 0 получаем
&т/ _^н^рСО!5(Фр ~а) = 0. (3.53)
Так же как выражение (3.52), это уравнение преобразуется к виду,
совпадающему с формулой (3.34), что соответствует угловой характери-
стике в виде прямой линии (см. рис. 3.33, е).
При сравнении не двух, а трех электрических величин, сформиро-
ванных из /р и J7p, можно получить угловые характеристики в виде кри-
вых второго порядка. На рис. 3.43, а приведена структурная схема реле
сопротивления с угловой характеристикой в виде эллипса. Она содер-
жит два выпрямителя UZ1 и UZ2, фазочувствительный выпрямитель
UR с фазоповоротным устройством Ucp, сумматор А1 и нуль-орган ЕА.
Для выпрямленных напряжений имеют место соотношения:
U.- к I , и=кЛ1 соз(ф -a), U=kl! .
1 т р’ 2 н1 р ^р 3 н2 р
В сумматоре А1 осуществляется операция + £72 “ кри-
ничное условие срабатывания имеет вид = 0 или
к I +к .U cos(<p -а)-А: JJ =0. (3.54)
трн1рх^р/н2р х
Рис. 3.43. Реле сопротивления с эллиптической угловой характеристикой
156
Разделим левую и правую части этого уравнения на и обозна-
чим для граничных условий срабатывания U /1 = Z. Тогда из выра-
жения (3.54) получим
(3.55)
Обозначим ~.л! - Е .
*н2
Тогда выражение (3.55) примет вид:
ср l-Ecos((pp-a)
(3.56)
что соответствует уравнению эллипса в полярной системе координат с
одним из фокусов Fy, расположенным в начале координат (рис. 3.43, б). Рас-
стояние между фокусами F± и 7^ обозначено 2с. Большая ось эллипса имеет
длину 2а, 2L малая ось — ширину 2Ь. Эксцентриситет эллипса е = с/а (е<1).
Фокальный параметр равен р — Ъ^/а, кроме того имеет место соотноше-
ниес? — <?. Для длин отрезков Fy пи F^m введем обозначения F^n =Z'
и Fm =Z” . Очевидно:
Z' = a+c = a(l + E), Z* = a-c = a(l-e). Кроме
того обозначим q = b/a, где q — степень сплющенности эллипса.
Заданными являются Z, q и а. Угол а устанавливается фазоповорот-
ным устройством U<p, а из приведенных соотношений следует:
Коэффициент задается обычно из условий обеспечения точной
работы реле, поэтому из первых двух равенств (3.57) можно найти зна-
чения и fcj. для получения заданной характеристики, которая кроме
выражения (3.56) может быть представлена в виде:
157
CD I 0
cos(cp^ - a)
(3.56')
Дифференциально-демодуляторные схемы сравнения можно выпол-
нить на интегральных микросхемах. Наиболее громоздким в защите и
наименее технологичным является входной блок (см. рис. 2.15). Замена
его на согласующие трансформаторы с магнитопроводом без зазора зна-
чительно упрощает устройство, однако, ограничивает возможность по-
лучения разнообразных угловых характеристик. Наиболее просто полу-
чить угловую характеристику в виде окружности с центром в начале ко-
ординат (см. рис. 3.33, б) с помощью дифференциально-выпрямительной
схемы сравнения (схемы сравнения абсолютных значений входных ве-
личин), приведенной на рис. 3.34. Угловую характеристику реле направ-
ления мощности, показанную на рис. 3.33, г, проще получить с помо-
щью демодуляторной схемы, а угловые характеристики, приведенные
на рис. 3.33, в и е, проще выполнить с помощью дифференциально-де-
модуляторной схемы.
Времяимпульсные схемы сравнения. На вход этих схем подают пере-
менные электрические сигналы, подлежащие оценке или сравнению.
Если на вход подается только один сигнал, то критерием его оценки
является продолжительность полуволны одного знака. Например, для
фазочувствительных выпрямителей, изображенных на рис. 3.38 и 3.39,
условие срабатывания /7Н0 > 0 соответствует условию, при котором по-
ложительные значения тока /н0 в нагрузке длятся более одной четверти
периода (аЯН0>л/2). При использовании этого критерия не нужны сгла-
живающие фильтры ИфС на входе таких выпрямителей, что увеличива-
ет быстродействие схем сравнения.
Если же сравниваются несколько сигналов, то критерием оценки
служит время совпадения знаков мгновенных значений входных вели-
чин. Используются две разновидности этого способа. В одной из них
время совпадения одинаковых знаков входных сигналов сравнивается с
некоторым заданным значением (эталоном). В другой время совпаде-
ния знаков мгновенных значений этих сигналов сопоставляется со вре-
менем, когда знаки этих же величин не совпадают. Таким образом, эти
схемы сравнения реагируют на фазовые углы.
Одна из возможных схем, оценивающих время совпадения мгновен-
ных значений входных сигналов, приведена на рис. 3.44, а. Она содер-
158
жит два согласующих трансформатора TL1 и TL2, входные цепи кото-
рых подключаются к выходам входного блока (см. рис. 2.15) или непос-
редственно во вторичные цепи трансформаторов тока и напряжения.
Положительные полуволны токов и /' запирают соответственно тран-
зисторы VT1 и VT2 за счет падения напряжения на диодах VD5 и VD6,
отрицательные полуволны их отпирают. Если оба транзистора запира-
ются, диод VD7 закрывается и происходит заряд конденсатора С1 с по-
стоянной времени т =RC1. Через время tB после начала процесса заряда
потенциал точки а станет более отрицательным, чем потенциал точки b
на величину и диод VD7 откроется. Через нуль-орган ЕА потечет
ток, который заставит его сработать. Промежуток времени tB от начала
заряда конденсатора С1 до момента срабатывания нуль-органа опреде-
ляется по формуле (3.14), где £7ср = С/о + ил.
а
Рис. 3.44. Времяимпульсная схема сравнения двух входных сигналов
159
Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 одновременно закрыты
в течение времени /в или дольше, то нуль-орган ЕА срабатывает. Одна-
ко, если до истечения времени tB один из транзисторов откроется, то
конденсатор С1 через него мгновенно разряжается и нуль-орган не сра-
ботает. Следовательно, схема, приведенная на рис. 3.44, а, контролиру-
ет время совпадения одинаковых знаков мгновенных величин входных
сигналов: если это время меньше значения гв — нуль-орган не срабаты-
вает, если это время равно или больше /в — нуль-орган срабатывает.
Диоды VD1— VD4 ограничивают напряжение на обмотках трансформа-
торов TL1 и TL2 при значительных изменениях токов во входных це-
пях, защищая тем самым базовые цепи транзисторов VT1 и VT2. Кон-
денсатор С служит для обеспечения фазового сдвига (если он необхо-
дим) между токами Ц и /'.
На рис. 3.44, б приведены волновые диаграммы токов, в которых уч-
тено, что напряжение отстает от напряжения на угол ср. Если бы в
схеме отсутствовал конденсатор С, то ток /2 (с мгновенными значения-
ми /2) во вторичной обмотке трансформатора TL2 отставал бы от тока J\
(с мгновенными значениями q) во вторичной обмотке трансформатора
TL1 на угол ср. При наличии конденсатора С ток /' во вторичной об-
мотке трансформатора TL2 (с мгновенными значениями i') опережает
Л*
ток /2 на угол а.
Совпадение положительных знаков мгновенных значений токов и *2
на рис. 3.44, б имеет место в пределах угла у = л — ф + а. При изменении
угла ф в сторону отставания или опережения совпадение положительных
знаков токов /| и /' будет иметь место в интервале от значения ф = — (л — а)
до значения ф = л + а. Отсюда следует, что при условии ф-а < л имеет
место совпадение знаков мгновенных значений токов и . В общем виде,
поскольку л = 0)772, это условие можно записать следующим образом:
ф-а| = о)/с,
tc^T/2 ,
(3.58)
где Т — период частоты входных сигналов;
tc — время совпадения одинаковых знаков входных сигналов.
160
Срабатывание нуль-органа ЕА (см. рис. 3.44, а) происходит при /с > Гв,
где /в —- фиксированное значение, определяемое параметрами зарядной
цепочки RC1 и делителя напряжения Rl—R2. Поэтому условие сраба-
тывания нуль-органа принимает вид ф-ос или
-(со/в-а)<Ф<(ш/в+а). (3.59)
Принимают, как правило, tB = 5-10—3 с, тогда <в/в = 1,57 = л/2. В этом
случае, если напряжения Щ и подключаются непосредственно во вто-
ричные цепи тока и напряжения, то схема, приведенная на рис. 3.44, а,
приобретает свойства реле направления мощности с угловой характерис-
тикой на комплексной плоскости, показанной на рис. 3.44, в. Если при-
нять t3 меньше указанной величины, то угловая характеристика приобре-
тет вид, приведенный на рис. 3.44, г. В том случае, когда первичные об-
мотки трансформаторов ТЫ и TL2 этой схемы подключаются к выходам
входного блока, приведенного на рис. 2.15, угловые характеристики на
комплексной плоскости могут иметь более сложный вид. В частности при
/в = 5*10““3 с получают прямые и окружности, расположение которых на
комплексной плоскости зависит от величины коэффициентов трансфор-
мации согласующих трансформаторов входного блока.
Принцип сопоставления времени совпадения знаков мгновенных
значений входных величин с временем, когда знаки мгновенных значе-
ний этих же величин не совпадают, рассмотрен на примере схемы, при-
веденной на рис. 3.45, а. Входные сигналы Д, U2, и$ (их число практи-
чески не ограничено) с мгновенными значениями соответственно
и3, м3 подаются на симметричный двухполупериодный формирователь
импульсов несовпадения (ФИН) их знаков. Если все напряжения на
входе отсутствуют, то диоды VD1—VD6 открыты током источника пи-
тания, проходящим через резисторы Rl— R4 (Rl = R2, R3 =R4). В этом
случае к диодам VD7 и VD8 приложено обратное напряжение, равное
примерно падению напряжения на резисторах R1 и R2, и они закрыты.
Полярность и величина напряжения на входе операционного усилите-
ля А1 такова, что он насыщен и на выходе имеется напряжение t/A1 с
отрицательной полярностью. Полярность напряжения не меняет-
ся, если на входе имеется только один из сравниваемых сигналов, на-
пример Д. Его положительная полуволна проходит через диод VD1 и
открывшийся диод VD7 (диод VD2 закрывается). Однако это не приве-
дет к переключению усилителя А1, поскольку обратное напряжение 67об
161
Рис. 3.45. Схема сравнения времени совпадения и несовпадения знаков
мгновенных величин
на запертом диоде превышает падение напряжения Uq на открытом
диоде. Такой режим достигается выбором сопротивления резисторов:
£/0б = ^питх ^1/(^1 ^з) = ^пит^2/^2+Л4) > °0- Положение усилителя
А1 не изменится, если отсутствует только одно из напряжений на входе,
поскольку источник с нулевым напряжением может быть представлен
закороткой. Не изменится положение усилителя А1 и в том случае, если
все входные напряжения t/p U?, Из совпадают по фазе.
Только в том случае, когда на всех входах ФИН имеются напряже-
ния, но их мгновенные значения по крайней мерс на двух входах имеют
разные знаки, диоды VD7 и VD8 одновременно открываются. Диод VD7
открывается положительной полярностью одного из входных сигналов,
а диод VD8 ~ отрицательной полярностью другого сигнала. При одно-
временно открытых диодах VD7 и VD8 полярность на входе операцион-
162
кого усилителя изменяется на противоположную и напряжение £/А1 ста-
новится положительным.
На рис. 3.45, б приведена волновая диаграмма входных сигналов «р
«2? и соответствующая им диаграмма напряжений на выходе уси-
лителя А1. В интервале времени 0 — мгновенное значение напряже-
ний «1 и «2 положительно, а напряжения — отрицательно. Так как на
этом интервале знаки мгновенных величин всех входных напряжений не
совпадают, то напряжение положительно. В интервале времени
мгновенные значения всех входных величин положительны. Поскольку
знаки всех сигналов совпадают, то напряжение — отрицательно. В ин-
тервале /2“*з Д™ кажД°го из моментов времени знаки входных сиг-
налов не совпадают, поэтому положительно. В интервале зна-
ки всех входных сигналов отрицательны, т.е. снова знаки совпадают,
следовательно, на этом интервале ~ отрицательно. Положительные
и отрицательные значения поступают в остальную часть схемы (см.
рис. 3.45, а), где производится сопоставление длительностей совпаде-
ния Д/с мгновенных величин входных сигналов и их несовпадения Д/нс.
Сопоставление этих длительностей осуществляется переключающим
диодным мостом VD и интегратором на операционном усилителе А2.
Для положительных значений напряжения UAi цепь интегрирования
образуется через диод VD11 и резистор R7, а для отрицательных через
диод VD10 и резистор R6. Стабилитрон VD9 ограничивает и обеспечи-
вает равенство положительных и отрицательных значений уровней на-
пряжения, поступающих на интегратор. Диод VD12 предотвращает по-
явление на выходе А2 напряжения положительной полярности.
При отсутствии сигналов t/p U$ на входе напряжение — от-
рицательно. Оно поступает на инвертирующий вход усилителя А2 через
мост VD и диод VD10, однако конденсатор С при этом не заряжается,
поскольку он зашунтирован диодом VD12. На выходе логической ячей-
ки DD сигнал равен 0.
При наличии на входах сигналов в моменты несовпадения
их мгновенных значений на выходе усилителя А1 сигнал приобре-
тает положительную полярность. Он поступает на инвертирующий вход
усилителя А2 через мост VD и диод VD11. Конденсатор С начинает заря-
жаться. Если интервал времени Д/нс несовпадения мгновенных величин
входных сигналов невелик (рис. 3.45, в), то напряжение на конденса-
торе С и на выходе усилителя А2 не достигает порогового значения Un,
при котором ячейка DD переключается. По истечении времени Дгнс
напряжение меняет знак и конденсатор С разряжается до нуля.
163
Если же продолжительность интервалов А/нс достаточно велика, то кон-
денсатор С заряжается до большего значения напряжения (рис. 3.45, г).
В период совпадения Д?с мгновенных значений входных величин кон-
денсатор будет разряжаться, но поскольку длительность этого периода
мала, то разряд будет лишь частичным и в течение следующего интер-
вала Дгнс напряжение на конденсаторе превысит порог срабатывания
Un ячейки DD. На ее выходе появится выходной сигнал 1, что соответ-
ствует срабатыванию схемы сравнения.
Если выполнить схему сравнения (см. рис. 3.45, а) на два входных
сигнала Uy и U^ которые поступают с выхода входного блока, приве-
денного на рис. 2.15, о, ив качестве условия срабатывания принять ус-
ловие Дгнс > ДГС, то угловая характеристика в комплексной плоскости
для этой схемы будет иметь вид прямой линии или окружности. Усло-
вие срабатывания Д/нс = Д/с обеспечивается при R6 = R7. Если эти со-
противления не одинаковы, то скорости заряда и разряда конденсатора
С будут разными. При этом вместо окружности характеристика примет
вид эллипса.
Для получения многоугольных характеристик на входы схемы срав-
нения, приведенной на рис. 3.45, а, необходимо подавать столько вход-
ных сигналов, сколько имеется сторон в многоугольнике.
Импульсные схемы сравнения. Схемы сравнения импульсного типа
фиксируют моменты прохождения мгновенных значений входных сиг-
налов через нулевые значения. Они относятся к схемам сравнения по фазе.
Структурная схема такого метода сравнения приведена на рис. 3.46, а.
Она содержит измерительную схему ИС, фазовращатель Uq>, нуль-орга-
ны ЕА1, ЕА2, одновибраторы DD1, DD2, логические ячейки совпаде-
ния (И) DD3, DD4 и RS-триггер DD5. Элементы, относящиеся собствен-
но к схеме сравнения СС, размещены внутри рамки.
Измерительная схема ИС может быть выполнена в виде входного
блока, показанного на рис. 2.15, а. В этом случае отдельный фазовра-
щатель Оф не нужен. Он необходим в том случае, если в измерительной
схеме ИС напряжения вторичных обмоток согласующих трансформа-
торов ТЫ и TL2 не суммируются. В этом случае имеют место равенства:
= , U.2 = ^TZp , где £Н’ коэффициенты преобразования со-
ответственно первичных значений входных сигналов и /р в напря-
жения Uy и вторичных обмоток согласующих трансформаторов ТЫ
и TL2 (см. рис. 2.15, а).
164
Рис. 3.46. Структурная схема реле с импульсной схемой сравнения
Волновые диаграммы напряжений Д и (с мгновенными значения-
ми и при фазовом сдвиге между ними фр1 приведены на рис. 3.46, б.
С помощью фазоповоротного устройства Ucp напряжение Ux сдвигается
на угол У] в данном случае в сторону опережения. Полученное таким
образом напряжение (с мгновенным значением w')5 а также напря-
жение подаются на вход схемы сравнения СС.
165
Нуль-органы ЕА1 и ЕА2 переключаются при переходе синусоиды
соответствующего напряжения и' и и2 через нуль от положительных зна-
чений к отрицательным. Нуль-орган ЕА1 срабатывает в точке b и воз-
вращается в исходное положение в точке d (рис. 3.46, б, в). Нуль-орган
ЕА2 срабатывает в точке а и возвращается в исходное положение в точ-
ке с. Срабатывание нуль-органов запускает соответственно одновибра-
торы DD1 и DD2. Одновибратор DD1 формирует на выходе прямоу-
гольный сигнал А1 длительностью = v?/00- Одновибратор DD2
формирует на выходе прямоугольный сигнал А2 с очень короткой дли-
тельностью.
Сигналы А1 и А2 поступают на входы ячеек совпадения DD3 и DD4.
Поскольку один из входов ячейки DD4 является инверсным, то сигнал
на ее выходе В2 появляется в тот промежуток времени, когда сигналы
А1 и А2 во времени не совпадают. Такое положение соответствует фазо-
вому углу фр1 (см. рис. 3.46, 6). Сигнал В2 поступает на R-вход триггера
DD5, удерживая триггер в состоянии логического 0, что соответствует
выходному сигналу F схемы сравнения СС, равному нулю. Реле при этом
находится в несработанном состоянии (режим ожидания). В этом ре-
жиме сигнал В1 на выходе ячейки совпадения DD3 отсутствует, посколь-
ку входные сигналы А1 и А2 во времени не совпадают.
При изменении фазового угла (<рр2 на рис. 3.46, в ) появляются про-
межутки времени, когда сигналы А1 и А2 во времени совпадают. В этом
случае на выходе ячейки DD4 сигнал В2 не появляется, а на выходе ячей-
ки DD3 каждый период будет появляться сигнал В1. Этот сигнал посту-
пает на S-вход триггера, переключая его в режим логической 1, что со-
ответствует появлению на выходе схемы сравнения сигнала Е Сигнал F
далее поступает в исполнительные цепи защиты. Появление сигнала
соответствует режиму срабатывания реле.
Для ускорения действия защиты такое сравнение сигналов и' =
= t/2sin(a)/ + v1) и «2 =(/2sin(cnr-<pp) может осуществляться в течение
каждого полулериода. В общем случае, при подключении реле со струк-
турной схемой, приведенной на рис. 3.46, к входному блоку, показанно-
му на рис. 2.15, а, схема сравнения СС сравнивает напряжения
и' - U sin(cor + \|/ ) и и = U sin((Lrt - Л . Если выполнить одновиб-
11 1 а» л» 1 Лл
раторы DD1 и DD2 так, чтобы суммарная ширина импульсов А1 и А2
равнялась л (или 180°), что составляет при частоте 50 Гц 0,01с - 10 мс, то
166
угловая характеристика реле может быть выполнена в виде прямых ли
ний или окружностей. При суммарной ширине импульсов А1 и А2 мень
шей тс угловые характеристики могут принимать вид ломаной линии (см
рис. 3.44, г) или эллипса.
Индукционные системы. Реле индукционной системы содержит нс
подвижный магнитопровод 7 (рис, 3.47, а) с обмотками 2 и 5 и подвиж-
ной алюминиевый ротор 8. Между по-
люсами 3,4, би Рмагнитопровода /рас-
положен стальной цилиндрический
сердечник 7, который служит для
уменьшения сопротивления магнит-
ной цепи. В зазор между полюсами и
сердечником помещен алюминиевый
ротор 8, имеющий форму стакана.
Ротор такой формы обладает мень-
шим моментом инерции, чем, напри-
мер диск, что обеспечивает более вы-
сокое быстродействие. Стакан снаб-
жен осью 10, концы 13 которой вра-
щаются в верхнем 14 и нижнем 17
подпятниках. На оси 70 жестко кре-
пится подвижной контакт 11. При по-
вороте ротора 8этот контакт замыка-
ет неподвижные контакты 72 и 16.
Возврат реле в исходное положение
осуществляется спиральной пружи-
ной 15.
Рассмотрим случай, когда к обмот-
кам 2 подводится ток /р, а к обмот-
кам 5— напряжение U (см. рис. 3.47, б).
Подведенный к обмоткам 2 ток /р от-
стает от напряжения 7/р на угол срр.
Магнитный поток Фт совпадает по
фазе с током /р (потерями в стали и
размагничивающим действием рото-
ра пренебрегаем). Под действием на-
пряжения Up по обмоткам напряже-
ния 5 протекает ток /н, угол сдвига
Рис. 3.47. Структурная схема индук-
ционного реле направления мощно-
сти (а) и его векторная диаграмма (б)
167
которого у определяется характером сопротивления обмотки (примерно 65°).
Угол 8 равен 90° — у. Магнитный поток Фн совпадает по фазе с током ZH.
Магнитные потоки Ф^. и Фн сдвинуты в пространстве на 90° и по фазе
на угол v = у — Фр = 90° — 8 — срр. Они пересекают алюминиевый ротор и
наводят в нем вихревые токи. Взаимодействие магнитных потоков и
вихревых токов создает вращающий момент, действующий на ротор:
Мвр -ЛФнФт81пф = АФнФт[§т90° ~(фр +8)] = ctf Z cos(<p -а), (3.60)
где к и с— постоянные; а = —8.
При соэ(фр — а)>0 момент, действующий на ротор, имеет положи-
тельный знак и ротор повернется в сторону замыкания контактов. Если
же со8(фр — а)<0, то ротор повернется в сторону размыкания контактов
(до упора).
Условие срабатывания соз(фр — ос)>0 тождественно выражению —
(90° - а)<фр<(90° + а). Полагая /р = Д, U? = U2 и Д Л JJ2 =Jp л Д = <Рр =
= Xi + Х2, получаем, что в условии срабатывания (3.37) для данной сис-
темы ср J = —(90° — а) и ф2 = (90° + а). Угол а называется углол/максимальной
чувствительности. При фр = а имеем cos((pp — а)= 1, что соответствует
наибольшему значению Мвр.
Чувствительность реле. Характеристики реле Zcp = Дфр), приведен-
ные на рис. 3.33, соответствуют идеальным условиям, которые не учи-
тывают механические тормозные моменты электромеханических сис-
тем, ненулевой уровень срабатывания электронных схем сравнения и
т.д. В реальных условиях по указанным причинам Уд | - У_21 *= 0 , а схемы
сравнения по фазе срабатывают в диапазоне углов, отличающемся от
определяемого условием (3.37). Это приводит к искажению формы ха-
рактеристик и их смещению на комплексной плоскости. Такие измене-
ния отражаются на свойствах реле и зонах их действия, а поэтому их
необходимо учитывать.
Зависимость сопротивления срабатывания реле полного сопротив-
ления от тока 7р носит нелинейный характер (рис. 3.48). Действитель-
ное сопротивление срабатывания Zcp равно уставке 7^ (т.е. заданному
значению, при котором должно наступить срабатывание реле) только
при достаточно больших значениях тока /р. Эту часть характеристики
Zcp = используют для калибровки шкалы уставок реле. При сни-
жении тока I уменьшается и значение Z , при котором наступает сра-
Е* '•'г
168
батывание реле: Zcp становится мень-
ше заданного 7^ и зона защиты сокра-
щается. Одним из показателей каче-
ства реле и его чувствительности служит
ток точной работы /1р, при котором от-
клонение сопротивления Zcp от устав-
ки Zy составляет 10 %:
-У-—срюо=1о%, [/р =/тр]-(3.61)
У
Рис. 3.48. Зависимость сопротив-
ления срабатывания Zcp реле
сопротивления от тока 1
Чувствительность реле тем выше,
чем меньше ток точной работы /тр.
Для его уменьшения применяют вы-
сокочувствительные реагирующие ор-
ганы в схемах сравнения. У современ-
ных реле сопротивления ток точной работы составляет 1—2 А. Для тре-
тьих ступеней защит тяговой сети эту величину желательно иметь не
более чем 0,5—0,7 А.
Угловой характеристикой реле направления мощности называется
зависимость £7ср = /0р) (рис. 3.49, а). Идеальным условиям срабатыва-
ния, т.е. cos(cpp — а)=0, соответствует зона между двумя прямыми ли-
ниями 1—Г, отстоящими друг от друга на угол 180°. В действительно-
сти cos(cp — а) Ф 0 и угловая характеристика превращается в кривую 2.
г'
Рис. 3.49. Угловая (а) и вольт-амперная (6) характеристики реле направления
мощности
169
Из рис. 3.49, а следует, что для срабатывания реле необходимо, чтобы
подведенное к нему напряжение £7р имело конечное значение, мини-
мальная величина которого зависит от угла (рр. Если угол фр равен углу
максимальной чувствительности а, то напряжение срабатывания реле
имеет наименьшее значение tfcp
Вольт-амперная характеристика (рис. 3.49, б) показывает, как изме-
няется минимальное напряжение срабатывания при увеличении тока
реле. Начиная с некоторого значения тока, напряжение L7cp min прак-
тически перестает уменьшаться. У современных реле 6/ср m£n < 1 В. Так
как для срабатывания реле требуется определенное значение Uy, неиз-
бежно наличие «мертвой зоны», т.е. зоны ложного действия или отказа
срабатывания реле, если подводимое к нему напряжение окажется мень-
ше необходимого. При данном значении = f7cp срабатывание про-
изойдет в том случае, если /р > /ср.
Для того чтобы обеспечить заданные значения тока точной работы
/рт, наименьшего значения напряжения срабатывания Ucp min, наимень-
шего значения тока Zprnirl, при которых реле еще способно выполнять
заданные функции, необходимо должным образом выбрать значения
коэффициентов £т], кт2, £Н2> входящих в формулы (2.20') и (2.21).
Эти коэффициенты определяют уровень напряжений [7т1, С/т2, С7н1, Un2
на вторичных обмотках входного блока, приведенного на рис. 2.15, а,
при данных значениях входных сигналов Zp и (7р. Чем выше напряже-
ния С7т1, С7н2, т.е. чем больше величина коэффициентов £т1,
&т2, ^н1> ^н2’ тсм лучше характеристика реле: меньше величины /рт,
^ср min’ min- ОДнако при этом возрастают мощность и габариты транс-
форматоров ТЫ и TL2 входного блока, а также собственное потребле-
ние; появляется необходимость защиты электронных компонентов от
высоких уровней напряжения.
В табл. 3.1 приведены формулы для выбора рассматриваемых коэф-
фициентов, при которых обеспечивается наименьшее допустимое зна-
чение напряжений £/т1, Ц,2, {7н1, С/н2.
В этой таблице для схем сравнения приняты обозначения: ДВ — диф-
ференциально-выпрямительная; ДМ — демодуляторная; ВИ — время -
импульсная; И — импульсная системы. Напряжение срабатывания нуль-
органа обозначено 6/но, а напряжение переключения транзисторов или
микросхем, фиксирующих моменты перехода переменного напряжения
через нулевое значение, обозначено LL.
и
170
Таблица 3.1
Вид харак- теристики на рис. 3.33 Схема сравне- ния Формулы для вычисления коэффициентов
^т] Лт2 ^н! ^н2
а дв Z-Z’ 2 %2 Z+Z', 2 к*2 0 10С7 НО Z'nDI рт
дм зис ^рт У ^но nDlpT £ 1 т! Z* к п т2 Z'
ВИ, и Трт llSUc > — ^рт к I Т1 о т2 Z'
б ДВ До nDIp? 0 0 к . т! Z'
ДМ ка 0>5(/но л/)7рт кц2 fc т2 Z'
ВИ, и ^рт ^Г1 к . т! zf ^н1
в ДВ К-2 >» 5С/Н0 0 /с э 2-v- Z'
ДМ 0 W„o MjD/рт 6Г > и ср,П11П т т2 Z'
ВИ, И 0 > \35UC ^рт ^20t/r ^рт к _ т2 Z’
г ^н2 >]0Цю м2)/рт ^н2 юс/ £ nDU ср,пип
дм 0 >20^цо nDlp^ 6U *и ср,min 0
ВИ, и 0 20(/с 7рт 20С/ •> с ~и ср,min 0
е дв 0 iOt/но ^н2 т2 2Z'
ДМ 6U > £_ и ср, пип ЮС/ИО tiDIр'р 0 т2 Z'
ВИ, И >20^с ^рт > \ЗЫС Трт 0 /с 0 т2 Z'
171
Один или два коэффициента выбираются из условий обеспечения
заданных минимальных значений 1^, t7cp j^, /р min, а остальные — ис-
ходя из вида характеристики на комплексной плоскости и ес парамет-
ров, а также вида используемой схемы сравнения [78]. Коэффициент D
для схем с выпрямителями вычисляют по формуле
_ г=т , л г
jD = v2—sin—, Г/п>2
л т L
где т — число пульсаций выпрямленного напряжения.
При однопульсовом выпрямлении, когда в течение периода перемен-
ного тока выпрямляется только одна полуволна, D = 0,45.
Реле со сложными характеристиками. В длинных, сильно загружен-
ных линиях электропередачи максимальные токи нагрузки оказывают-
ся соизмеримыми с минимальными токами удаленных КЗ. В этих усло-
виях область Н на комплексной плоскости сопротивлений (см. рис. 3.32)
смещается влево (кривая 2) и реле сопротивления с простыми характе-
ристиками в виде окружности уже не в состоянии отличить нормаль-
ный режим от режима КЗ. Для того чтобы понизить чувствительность
реле к нормальному режиму (в области малых значений фрн) при сохра-
нении требуемой чувствительности к режимам повреждений (в области
больших значений фр^), необходимо применять реле сопротивления со
сложными характеристиками Zcp = /(фр). Некоторые из таких характе-
ристик на комплексной плоскости Z приведены на рис. 3.50 (область
срабатывания заштрихована).
В общем случае для получения сложных характеристик необходимо
к схеме сравнения подвести напряжения Д,Д,Д, — (более двух), сфор-
мированные из тока /р и напряжения С7р [см. выражение (2.19)]. Эллип-
тическая характеристика, приведенная на рис. 3.50, а, кроме того, мо-
жет быть получена путем деформации окружности токами высших гар-
моник схемы сравнения. В этом случае требуется сравнить только два
напряжения [см. выражение (2.20)]. Остальные характеристики, приве-
денные на рис. 3.50, б, в, г, д, относятся к типу составных — из двух или
нескольких простых характеристик, имеющих вид окружностей или
прямых линий.
Составные характеристики могут быть получены различными спо-
собами (рис. 3.51). В одном из них (рис. 3.51, а) на входы схем срав-
172
Рис. 3.50. Сложные характеристики срабатывания реле сопротивления
нения СС1, СС2, ССЗ поступают по два напряжения, сформирован-
ных из 7р и t7p [см. выражение (2.20)]. Выходы схем сравнения при-
соединены ко входу логической ячейки DD, осуществляющей логи-
ческое умножение (операция И) или логическое сложение (опера-
ция ИЛИ). В зависимости от числа схем сравнения и типа элемента
DD получают ту или иную характеристику. Так, при использовании
четырех схем сравнения и логической ячейки И может быть получе-
на характеристика, приведенная на рис. 3.50, б. Если применить ло-
гическую ячейку ИЛИ, можно получить характеристику, изображен-
ную на рис. 3.50, в.
Другой способ (рис. 3.51, 6) основан на применении макси- и ми-
ниселекторов в схемах сравнения абсолютных значений входных сиг-
налов с применением логических ячеек И и ИЛИ. Схема макси-селек-
тора для трех сигналов Щ приведена на рис. 3.52, а. Падение
напряжения на сопротивлении нагрузки RH в этой схеме равно тому
из напряжений ^3’ котоР°е является наибольшим (за вычетом
падения напряжения на диоде). Из трех диодов VD1, VD2, VD3 будет
Рис. 3.51. Схемы, позволяющие получить составные характеристики реле
сопротивления
173
Рис. 3.52. Схемы макси- и мини-селекторов
открыт тот, который находится в цепи с наибольшим напряжением,
остальные два будут закрыты.
Если пренебречь обратными токами закрытых диодов, то напряже-
ние (7ВЫХ на выходе схемы макси-селектора равно:
(U -U )R
_ max пр7 н
вых” R
вн н
где Цпах” наибольшее из напряжений на входе макси-селектора;
(7Пр—- прямое падение напряжения на диоде;
Лвн — внутреннее сопротивление источников напряжения U2i U$9...
(рис. 3.52, а).
Схема мини-селектора для трех сигналов Ц, С/2, ^приведена на рис.
3.52, б. Дополнительно в этой схеме должен присутствовать источник
опорного напряжения Uq. Если величина Uq меньше любого из сигна-
лов Ц, (/2, ^3’то ДИ°ДЫ VD1, VD2, VD3 будут закрыты и ток в резисторе
RH отсутствует. Ток в резисторе RH, а следовательно, и выходное напря-
жение {7ВЫХ оказываются крайне малыми, так как R^j «R. Если же ве-
личина U$ больше любого из сигналов Ц, U2, то откроется тот из
диодов VD1, VD2, VD3 , который соединен с сигналом, имеющим наи-
меньшую величину напряжения. Если, например, из трех сигналов
U2, величина напряжения U2 меньше, чем Ц и U3, то откроется диод
VD2. Остальные два будут закрыты. Напряжение на выходе С7ВЬ1Х при-
мерно будет равно напряжению того из сигналов, который является наи-
меньшим (в данном случае U2).
Для того чтобы схема, приведенная на рис. 3.52, б, выполняла функ-
ции мини-селектора, необходимо условие
174
где U' . — максимальная величина наименьшего из сигналов СА, LA, на
min 1 2 J
входе мини-селектора.
Для правильной работы схем, приведенных на рис. 3.52, необходимо
хорошее сглаживание напряжений сигналов Uy U2, Uy
На рис. 3.53 приведены схемы, в которых свойства макси- и мини-
селекторов соединены со свойствами логических элементов И и ИЛИ.
Источники сигналов Uy Uy U$b обеих схемах включены по схеме мак-
си-селекгора, что соответствует на рис. 3.51,6логическим ячейкам DD1
и DD2 ИЛИ. Источники сигналов Uy U& на схеме, приведенной
на рис. 3.53, а, включены по схеме макси-селектора (логическая ячей-
ка DD1 ИЛИ), а на схеме, показанной на рис. 3.53, б, — по схеме мини-
селектора (логическая ячейка DD2 И). Схема сравнения, приведен-
ная на рис. 3.53, а, сравнивает максимальный сигнал из группы Ц,
£73, U$ с максимальным сигналом из группы Uy U^9 Uy Она срабаты-
вает, если любой из сигналов группы Uy Uy U$ станет больше любо-
го из сигналов группы Uy t/4, Uy Схема сравнения, показанная на
рис. 3.53, б, сравнивает максимальный сигнал из группы Uy Uy U$
с минимальным сигналом из группы Uy U^ Uy Нуль-орган ЕА сраба-
тывает при направлении тока, указанном стрелкой. Несрабатывание
нуль-органа соответствует условию, когда наибольший сигнал из груп-
пы t/p Uy U$ будет меньше всех сигналов группы Uy U^ Uy
При использовании четырех пар напряжений, сформированных из
/р и t/p, и логических элементов DD1 и DD2 в виде максиселектора,
а
Рис. 3.53. Схемы сравнения с селекторами и логическими элементами
175
Рис. 3.54. Структурная схема реле
сопротивления с характеристикой
«замочная скважина»
можно получить характеристику,
приведенную на рис. 3.50, б. Если
же применить DD1 в виде мини-
селектора, a DD2 в виде макси-
селектора, то можно получить ха-
рактеристику, изображенную на
рис. 3.50, в.
Схема сравнения, приведенная
на рис. 3.51, в, сравнивает по фазе
несколько входных величин,
сформированных таким же обра-
зом, как и в предыдущих случаях, из /р и U$. Таким способом можно,
например, получить характеристику, приведенную на рис. 3.50, г, при
меньшем числе входных сигналов, чем при использовании других схем
рис. 3.51.
С помощью трех схем сравнения СС1, СС2, ССЗ и двух логических
ячеек И и ИЛИ (рис. 3.54) можно получить составную характеристику,
изображенную на рис. 3.50, д. Эта характеристика состоит из двух ок-
ружностей разного диаметра с центрами в начале координат и двух пря-
мых, выходящих из начала координат. Схемы сравнения СС1 и ССЗ
формируют окружности.
Схема сравнения СС2 формирует прямые. Более подробно основы
получения составных характеристик с помощью схем сравнения с логи-
ческими ячейками изложены в 114, 16, 17, 18, 60, 63, 75, 79].
3.5. Реле направления мощности и реле сопротивления
Индукционное реле направления мощности. Токовые обмотки 2 реле
направления мощности типа РБМ (см. рис. 3.47, а) включаются во вто-
ричную цепь трансформатора тока, а обмотки 5 — трансформатора на-
пряжения.
Уравнение граничной линии характеристики срабатывания соот-
ветствует условию Л/вр = 0. Подставляя в него значение Мвр, опреде-
ляемое выражением (3.60), получаем уравнение и соответствующую ему
характеристику срабатывания (см. рис. 3.33, г). Угол максимальной чув-
ствительности а можно регулировать, включая последовательно с обмот-
ками напряжения 5 реле направления мощности (см. рис. 3.47, а), доба-
вочный резистор или конденсатор, или и то и другое. Переключением
176
полярности одной из обмоток реле угол изменяется на 180°. Реле на-
правления мощности, у которого угол максимальной чувствительнос-
ти а не равен 0 (180°) и нс равен 90° (270°), называется реле смешанного
типа. Имеются также реле с углами максимальной чувствительности
—30°, —45°, 70е [69]. У реле активной мощности а = 0, у реле реактив-
ной мощности а— —90°.
Индукционные реле направления мощности имеют сравнительно
большое время действия (от 30 до 120 мс) и значительное потребление
мощности в цепях тока (10 ВА) и напряжения (40 ВА). Габариты их
значительны. Возможна вибрация контактов реле при насыщении транс-
форматоров тока.
Угловая и вольт-амперная характеристики реле направления мощ-
ности имеют вид, приведенный на рис. 3.49. У реле серии РБМ напря-
жение J7Cp составляет около 0,25 В при токе 10 /н, где /н — номи-
нальный ток реле. Индукционные реле направления мощности все бо-
лее интенсивно заменяются на полупроводниковые.
Полупроводниковые реле направления мощности. Реле направления
мощности, выполненные на основе схемы кольцевого диодного моду-
лятора (см. рис. 3.38), используются в панелях дистанционной защиты
линий электропередачи 35 кВ типов ПЗ-З и ПЗ-4 с нуль-органом в виде
магнитоэлектрического реле М237/054 (мощность срабатывания тако-
го нуль-органа около 0,2 мкВт). Минимальное напряжение срабатыва-
ния {7ср при угле максимальной чувствительности не более 0,6 В при
номинальном токе, минимальный ток срабатывания при номиналь-
ном напряжении не более 0,25 ZH. Применение диодного кольцевого
модулятора не улучшило заметным образом свойства реле по сравне-
нию с индукционной системой. Использование транзисторов и интег-
ральных микросхем открыло возможность существенного улучшения
всех свойств реле направления мощности.
Реле направления мощности, применяемое в электронном комплексе
«Сейма» [27], выполнено в соответствии со структурной схемой, приве-
денной на рис. 3.46, а. В реле производится сравнение и /р по фазе в
соответствии с выражением (3.37). Схема реле, показанная на рис. 3.55, а,
содержит узел формирования импульса, фиксирующего момент пере-
хода кривой тока через нуль (транзисторы VT1 и VT2), узел формирова-
ния опорного импульса, определяющего зону срабатывания (транзис-
торы VT3— VT5), логические схемы совпадения И1 и И2 и выходной
триггер (транзисторы VT6 и VT7).
177
а рВыход 1рВыход 2
в
Рис. 3.55. Схема полупроводникового реле направления мощности (а)
и временные диаграммы его работы (б и в)
Ток /р во вторичной обмотке трансформатора TL1 пропорционален
току /р и совпадает с ним по фазе. Ток /н во вторичной обмотке транс-
форматора TL2 пропорционален напряжению j7p и опережает его на
угол а, определяемый емкостью конденсатора Су, выполняющего роль
фазовращателя. Первичные и вторичные обмотки трансформаторов
шунтируются диодами для ликвидации опасных перенапряжений.
Транзисторы VT1 и VT3 открываются в момент перехода синусоид то-
178
ков соответственно /р и z'H через нуль к отрицательному значению и
закрываются в момент перехода их через нуль к положительному зна-
чению. Таким образом, эти транзисторы половину периода открыты,
а половину — закрыты. В последнем случае на их коллекторах форми-
руются прямоугольные импульсы f7K1 и UK^ отрицательной полярнос-
ти с длительностью в половину периода токов соответственно /р и /н
(рис. 3.55, би в).
Импульс UKi дифференцируется конденсатором С по заднему фрон-
ту и поступает на базу транзистора VT2. На время разряда конденсатора
(от 0,2 до 0,3 мс) этот транзистор закрывается и на его коллекторе обра-
зуется кратковременный импульс отрицательного напряжения U^. Этот
импульс совпадает с моментом перехода синусоиды тока /р через нуль.
Транзисторы VT4 и VT5 играют роль усилителей-инверторов. Напря-
жение £7к4 на коллекторе транзистора VT4 находится в противофазе, а
напряжение £/к5 на коллекторе транзистора VT5 совпадает по фазе с
напряжением UKy На схему совпадения И1 поступают импульсы и
(7к5, а на схему совпадения И2 — импульсы и {7к4.
Реле срабатывает при таком направлении мощности, т.е. при та-
ком угле фр, при котором отрицательные импульсы {/к2 и £/к4 совпа-
дают во времени на входах схемы совпадения И2 (см. рис. 3.55, б).
Транзистор VT7 открывается, триггер перебрасывается в положение 7;
реле сработало. Импульсы на перебрасывание триггера поступают
через схему И2 в каждом из периодов, и он надежно удерживается в
этом положении.
При изменении направления мощности угол фр изменяется на 180°
(см. рис. 3.55, б). Отрицательные импульсы и Ц<5 совпадают при
этом во времени на входах схемы совпадения И1. Транзистор VT6 от-
крывается, и триггер сбрасывается в положение 0, что соответствует со-
стоянию реле в режиме несрабатывания. Характеристика срабатывания
описывается уравнением соз(фр — а) = 0. Угол максимальной чувстви-
тельности равен а — 90° — ф! (см. рис. 3.33, г).
Минимальное произведение IC^UZ^ при котором реле срабатывает
(мощность срабатывания), составляет от 0,4 до 0,6 В А. Минимальное
напряжение срабатывания 1,2 В, угловая погрешность не более 3°.
Серийные реле направления мощности РМ11, РМ12 содержат полу-
проводниковые элементы и операционный усилитель, они призваны
заменить реле типа РБМ индукционного типа [19, 21, 22, 73]. Принци-
пиальная схема реле РМ приведена на рис. 3.56. Реле подключается ко
179
вторичным цепям трансформаторов напряжения и тока через согласу-
ющие трансформаторы ТЬАи TLV соответственно. Изменение угла мак-
симальной чувствительности а (фр осуществляется резистором R1 и
конденсаторами Cl, С2 в цепи напряжения и цепочкой R4, С4 —- в
цепи тока. Ключами SBl—SB4 можно изменять величину этого угла
(- 30° или — 45°).
Стабилитрон VD1 предотвращает насыщение трансформатора TLA
при больших токах, а для компенсации изменения угла максимальной
чувствительности, возникающей из-за того, что при этом форма кри-
вой напряжения на резисторе R2 становится несинусоидальной, слу-
жит цепь фазовой коррекции R3, СЗ.
В реле использован принцип сравнения времени совпадения по зна-
ку мгновенного значения выходных величин с временем несовпадения,
один из вариантов которого описан в п. 3.4 (см. рис. 3.45). Схема совпа-
дения на рис. 3.56 содержит диоды VD3—VD6, транзисторы VT1, VT2 и
резисторы R5—R10, а также два интегратора, один из которых содер-
жит резисторы R13, R15, диод VD9 и конденсатор С5, а второй — рези-
сторы R14, R16, диод VD10 и конденсатор С6. Операционный усили-
тель А1 выполнен по схеме порогового элемента (триггера Шмитта) с
положительной обратной связью. К его выходу подключен транзистор
VT3. При закрытии этого транзистора дешунтируется обмотка проме-
жуточного реле KL и реле срабатывает.
Если на входах реле (первичные обмотки трансформаторов TLV и
TLA) сигналов £/р и Zp нет либо нет какого-либо одного из этих сигна-
лов, то транзисторы VT1 и VT2 открыты токами базы, протекающими
соответственно через резисторы R5 и R6. Конденсаторы С5 и С6 при
этом разряжаются через резисторы R13 и R14. Потенциал инверсного
входа операционного усилителя А1 при этом отрицателен, потенциал
его выхода положителен. Поэтому транзистор VT3 открыт базовым то-
ком через резисторы R1 7 и R24, шунтируя обмотку реле KL. Транзис-
тор VT4 закрыт и в таком режиме реле KL находится в несработанном
состоянии.
Если на обоих входах реле имеются сигналы Д, и /р и в схему совпаде-
ния по знаку поступают напряжения и разной полярности, то один
из каждой пары диодов VD3, VD5 и VD4, VD6 открыт и полярность тока
в базе транзисторов остается такой же, как при отсутствии сигналов на
входе. Поэтому транзисторы при этом остаются открытыми.
180
00
R25
VT
Рис. 3.56. Принципиальная схема реле направления мощности РМ
В том же случае, когда полярности сигналов «j и совпадают, то
при положительных полуволнах закрываются диоды VD3 и VD5, а при
отрицательных — диоды VD4 и VD6. Закрытие этих диодов приводит к
запиранию соответствующих транзисторов VT1 и VT2.
При запертых транзисторах начинается заряд конденсатора С5 через
резистор R13 и диод VD9 и конденсатора С6 через резистор R14 и диод
VD10. На инверсный вход операционного усилителя А1 через сумматор
на резисторах R15 и R16 поступает полусумма напряжений конденсато-
ров С5 и С6. Если это напряжение больше величины порога триггера
Шмитта, то операционный усилитель опрокинется и полярность на его
входе изменится на противоположную. Однако, если интервал времени,
когда транзисторы VT1 и VT2 одновременно закрыты, невелик, то при
открытии одного из них или обоих начинается разряд конденсаторов и
напряжение на входе А1 не достигает порога срабатывания.
Напряжения заряда и разряда конденсаторов С5 и С6 имеют пило-
образную форму, причем скорость заряда примерно в 3 раза больше ско-
рости разряда. Это обеспечивает возврат конденсаторов к начальным
условиям при времени совпадения, соответствующем фазовому углу
между Wj и «2 около 90°, т.е. вблизи границы срабатывания. Уровни на-
пряжения при заряде и разряде конденсаторов ограничены диодным
мостом VD и делителем на резисторах R22, R23. При наличии на входах
сигналов J7 и 7р период изменения напряжения J7c5 и /7с6 на соответ-
ствующих конденсаторах С5 и С6 равен периоду входных сигналов,
причем максимумы (минимумы) этих напряжений сдвинуты. На гра-
нице срабатывания этот сдвиг составляет половину периода (90°)* На-
пряжение Uq на инверсном входе операционного усилителя А1 равно
Ц) = 0,5 (6/с5 + Uc&) и при времени совпадения запертого состояния тран-
зисторов VT1 и VT2, равном или больше л/2со (при частоте 50 Гц это
составляет 5 мс), оно становится больше порога переключения усили-
теля А1. Этот порог устанавливается потенциометром R20 и за счет ди-
ода VD11 действует только при непереключившемся усилителе А1. По-
лярность напряжения на выходе А1 меняется с положительной на отри-
цательную, транзистор VT3 закрывается, а транзистор VT4 открывается,
что вызывает срабатывание выходного реле KL.
После переключения операционного усилителя автоматически из-
меняется его порог возврата, определяемый теперь потенциометром R21
и диодом VD12. Это обеспечивает устойчивое состояние переключения
А1 при пилообразном напряжении па входе.
182
Реле PM 12 предназначено для защит, действующих при коротких за-
мыканиях на землю. Оно включается на напряжения и токи нулевой
последовательности и отличается схемой и параметрами входных и фазос-
двигающих цепей. Угол максимальной чувствительности у него равен 70°.
Время срабатывания этих реле 25—45 мс, время возврата 30—50 мс,
напряжение срабатывания {/ср = 0,19 В. Потребляемая мощность
реле РМ11 в цепях тока 0,15 ВА, в цепях напряжения 1 ВА от источни-
ка постоянного оперативного напряжения 7,5 Вт. Эти показатели зна-
чительно лучше, чем у реле индукционного типа, уменьшены также и
массогабаритные показатели.
Индукционное реле сопротивления. Реле сопротивления типа КРС имеет
примерно такую же конструкцию, как реле направления мощности.
Однако, если у реле направления мощности токовые обмотки и об-
мотки напряжения присоединяются к измерительным трансформато-
рам непосредственно, то у реле сопротивления они подключаются к
ним через входной орган, аналогичный приведенному на рис. 2.15, а.
В этом случае в соответствии с выражением (2.20) ток Ц в обмотках 2
(см. рис. 3.47, а) пропорционален = Ця “ ^н2' а ток -нв обмотках 5 —
значению Ц = С7т1 + С7н1. Токи Ц и /и создают соответствующие маг-
нитные потоки Ф^. и Фн, угол сдвига у между которыми определяется
фазовым углом между напряжениями Щ и U2 (этот угол соответственно
рис. 2.15, Нравен и параметрами цепи обмоток. Подбирая величины
емкостей конденсаторов С1 и С2 (см. рис. 2.15, а) или конденсаторов, вклю-
чаемых последовательно с обмотками 5 (см. рис. 3.47, а), можно выполнить
условие v = + ^2 + л/2. Тогда выражение для вращающего момента
М = кФ Ф 8шу = АФ Ф sin(A.+А_+rc/2) = cC71£/ncos(A1+А ),(3.62)
где кис — постоянные.
Условие срабатывания имеет вид Мвр > 0. Граничное условие срабаты-
вания соответствует знаку равенства. Приняв это условие и подставляя в
выражение (3.62) значения Aj и А2 из выражения (2.21), получим уравне-
ние граничной линии, совпадающее с выражением (3.26). Следователь-
но, меняя значения коэффициентов преобразования к^, А:н1, ^н2’
можно получить уравнения характеристик срабатывания (см. рис. 3.33),
рассмотренные в п. 3.4.
Индукционные реле сопротивления достаточно сложны. Они име-
ют большое собственное потребление мощности (до 40 В-A в цепях на-
183
пряжения, 10 В-A в цепях тока) и низкое быстродействие (от0,08 до 0,15 с).
В настоящее время они сняты с производства.
Полупроводниковые реле сопротивления. В реле сопротивления ис-
пользуется во многих случаях принцип сравнения двух электрических
величин по абсолютному значению. Для этой цели к выходным зажи-
мам устройства для преобразования входных сигналов, изображенного
на рис. 2.15, а, присоединяют схему сравнения с циркуляцией выпрям-
ленных токов (см. рис. 3.34, б) или схему сравнения на равновесие на-
пряжений (см. рис. 3.34, в).
В начале 70-х гг. XX в. промышленность освоила производство пане-
лей дистанционных защит ПЗ-2/1 и ПЗ-2/2, в которых использовались
полупроводниковые реле сопротивления ДЗ-2 и КРС-1 [80]. В этих реле
использовалась схема сравнения, приведенная на рис. 3.34, в, которая
совместно с входным блоком реализовывала угловую характеристику
направленного реле сопротивления, показанную на рис. 3.33, в. Схема
сравнения реле КРС-1 приведена на рис. 3.57, а. В этой схеме предус-
мотрена возможность преобразования характеристики в виде окружно-
сти в эллиптическую характеристику (рис. 3.57, б). Такое преобразова-
ние осуществляется за счет выделения из разности выпрямленных сиг-
налов второй гармоники частотой 100 Гц, ее выпрямления и создания
таким образом дополнительного тормозного сигнала.
Первичная обмотка TL трансформатора с воздушным зазором и кон-
денсатор С1 представляют собой фильтр, настроенный на частоту 100 Гц.
Резистор R4, включенный параллельно нуль-органу ЕА в виде магни-
тоэлектрического реле, образует вместе с его рамкой успокоительный
Рис. 3.57. Схема полупроводникового реле сопротивления КРС-1 (а) и его
характеристики (б)
184
контур, предотвращающий при изменениях тока колебания рамки и
связанной с ней контактной системы. Дроссель L и конденсатор С2 так-
же настраиваются на частоту 100 Гц. Они образуют для переменной со-
ставляющей тока цепь с малым сопротивлением, шунтирующую рамку
ЕА. Это уменьшает вибрации последнего при работе с характеристикой
в виде эллипса.
Для создания характеристики в виде эллипса к тормозному сигналу
—2
добавляется величина, пропорциональная переменной составля-
ющей на выходе схемы сравнения. Выпрямленное напряжение на рези-
сторе R1 пропорционально рабочему сигналу U_
и содержит постоян-
ную и переменную составляющие. Выпрямленное напряжение на рези-
сторе R2 пропорционально тормозному сигналу Ц_
и также содержит
постоянную и переменную составляющие. На выходе схемы сравнения
на равновесие напряжений (точки 7 и 2 на рис. 3.57, а) постоянные со-
ставляющие выпрямленных напряжений сигналов
и U,
Ал
вычита-
ются. Что же касается переменных составляющих этих сигналов (при
двухполупериодном выпрямлении их частота равна 100 Гц), то они, в
зависимости от угла между Uy и С72, могут как складываться, так и вычи-
таться. Если этот угол равен 0 или 180°, то переменные составляющие
на выходе схемы сравнения взаимно вычитаются и при граничных ус-
ловиях срабатывания и
переменная составляющая в цепи ЕА
отсутствует. Если же угол между рабочим и тормозным сигналами равен
90°, то их переменные составляющие складываются и переменная со-
ставляющая на выходе схемы сравнения имеет наибольшее значение.
Выделение результирующей переменной составляющей на выходе
схемы сравнения осуществляется вторичной обмоткой трансформато-
ра TL. Эта составляющая выпрямляется выпрямителем VD3 и через ре-
зистор R3 подается в нуль-орган ЕА с той же полярностью, что и посто-
янная составляющая тормозного сигнала U
Результирующая харак-
теристика изображена на рис. 3.57, б штриховой линией. При увеличении
сопротивления резистора R3 малая полуось эллипса увеличивается. Вре-
мя срабатывания достигает 150 мс.
185
Схема реле ДЗ-2 отличается отсутствием выпрямителя VD3 и резис-
тора R3, в связи с чем его угловая характеристика в эллиптическую не
преобразуется.
Реле ДЗ-2 и КРС-1 вошли составной частью и в панели защит типа
ЭПЗ-1636 для линий 110—220 кВ [76]. Вначале в качестве нуль-органов в
них также применялись магнитоэлектрические реле типа М237/054 с то-
ком срабатывания 6—10 мкА при сопротивлении рамки 1,4—2 кОм. В мо-
дернизированных панелях ЭПЗ-1636М магнитоэлектрические реле заме-
нены на полупроводниковый нуль-орган, приведенный на рис. 3.37, в.
В 80-х годах были разработаны шкафы защит ШДЭ-2801 и ШДЭ-
2802, выполненные с применением интегральных микросхем [81]. Реле
сопротивления в этих шкафах выполнены по схеме, приведенной на рис.
3.45, а с тремя входными сигналами Д, и -^з> сформированными из
подведенных к реле напряжения С/рИ тока Z, в виде аналогичных выра-
жениям (2.19). Такое реле имеет характеристику, близкую к окружности
(рис. 3.33, в). Кроме того, в шкафах имеется такое же реле с четырьмя
входными сигналами, реализующее четырехугольную угловую характе-
ристику (рис. 3.50, г).
В ненаправленном реле сопротивления с транзисторным нуль-орга-
ном (рис. 3.58), используемом в электронном комплексе «Сейма» (мо-
дуль ДС), применена схема сравнения с циркуляцией выпрямленных
токов (см. рис. 3.34, б). Характеристика реле имеет вид, изображенный
на рис. 3.33, б, Транзистор VT1 (см. рис. 3.58) нормально открыт, тран-
Рис. 3.58. Схема датчика (реле) полного сопротивления ДС
186
зисторы VT2 и VT3 закрыты, на выходе 2 потенциал равен — UK. Когда
рабочий сигнал к /
станет больше тормозного сигнала к U?
,тран-
зистор VT1 закроется, a VT2 и VT3 откроются и на выходе 2 появится
сигнал + UK, который приводит в действие логическую часть защиты и ее
выходной орган. Конденсатор С служит для сглаживания пульсаций вып-
рямленных токов, через резистор R осуществляется положительная об-
ратная связь, обеспечивающая на границе срабатывания устойчивое пе-
реключение нуль-органа. Нуль-орган можно блокировать, подав на вход
1 положительный потенциал. Радиус окружности граничной линии (см.
рис. 3.33, б) можно регулировать, используя потенциометры, включен-
ные со стороны первичных обмоток трансформаторов ТЫ и TL2, как
показано на рис. 2.14. Время срабатывания не превышает 20 мс.
В комплексе «Сейма» используется реле сопротивления с харак-
теристикой, имеющей вид замочной скважины (см. рис. 3.50, д). Бло-
ки СС1 и ССЗ структурной схемы реле (см. рис. 3.54) выполнены в
виде одинаковых модулей ДС (с различными уставками), образую-
щих характеристики в виде двух окружностей разного диаметра. Ха-
рактеристики в виде двух прямых, выходящих из начала координат
(см. рис. 3.33, д), получают с помощью фазоограничивающего органа
(модуль ФТН), уравнение срабатывания которого отвечает выражению
(3.37) при cpj = Wi [0 < Vi < 90°] и ф2 Ф1 + V2’ где V2 л ““ Р
Транзисторы VT1 и VT2 органа ФТН (рис. 3.59, а), как и в реле на-
правления мощности, формируют узкий импульс напряжения со-
впадающий во времени с моментом перехода сигнала / (рис. 3.59, б)
через нуль от положительных значений к отрицательным. Транзистор
VT3 закрыт в течение положительного полупериода напряжения Up. Как
только он откроется, закроется транзистор VT4 и будет оставаться зак-
рытым, пока не разрядится конденсатор С2. Его емкость выбрана та-
кой, чтобы время разряда составило примерно 5,5 мс, что соответствует
ширине импульса напряжения (7к4, равной 50°. Этот транзистор фор-
мирует угол cpj характеристики (см. рис. 3.33, д). Когда транзистор VT4
откроется, закроется транзистор VT5, формирующий зону срабатыва-
ния п—Р, также равную примерно 50°. Транзистор VT6 является инвер-
тором, он сдвигает фазу напряжения на 180°.
Сигналы и UK^ с коллекторов транзисторов VT2 и VT6 через схе-
му совпадения И1 поступают на левый вход триггера, образованного
транзисторами VT7 и VT8. Эти сигналы совпадают во времени, когда
187
Рис. 3.59. Схема фазоограничивающего органа ФТН (а) и временные диаграм-
мы его работы (6)
угол фр находится за пределами зоны срабатывания и удерживает триг-
гер в одном из устойчивых состояний. Сигналы 11^2 и i/K5 с коллекторов
транзисторов VT2 и VT5 через схему совпадения И2 поступают на пра-
188
вый вход триггера. Они совпадают во времени в том случае, если угол <рр
оказывается в зоне срабатывания. В этом случае сигналы и {/к6 во вре-
мени уже не совпадают. Триггер переключается в другое устойчивое состо-
яние. При этом меняется напряжение на выходах 1 и 2, что и используется
для приведения в действие логической части реле. При переключении триг-
гера потенциал точки 1 изменяется с положительного на отрицательный,
потенциал выхода 2 — с отрицательного на положительный.
На входы измерительных органов реле сопротивления с характерис-
тикой «замочная скважина» (см. рис. 3.50, д) сигналы и Zp подаются
через согласующие трансформаторы, как показано на рис. 2.14. Геомет-
рического сложения или вычитания входных сигналов для получения
такой характеристики нс требуется. Поэтому входные цепи такого реле
оказываются проще, чем у реле, имеющих другой вид сложных и со-
ставных характеристик, приведенных на рис. 3.50. Проще и регулиро-
вание уставок срабатывания как по углу, так и по сопротивлению.
3.6. Основные понятия о микропроцессорных защитах
Общие сведения. Перспективным направлением в теории и практи-
ке релейной защиты является использование микропроцессоров (МП)
и микроЭВМ и разработка на их основе защит, получивших название
микропроцессорных или программных» Микропроцессор — программно-
управляемое устройство, обрабатывающее цифровую информацию и
управляющее ею в соответствии с хранимой в памяти программой. Мик-
роЭВМ— цифровая ЭВМ с интерфейсом ввода-вывода, состоит из мик-
ропроцессора, памяти программ, памяти данных, пульта управления и
источников питания. Микропроцессоры и микроЭВМ составляют ос-
нову вычислительных систем (ВС), являющихся центральной частью
микропроцессорных релейных защит. В состав вычислительных систем
могут входить один или несколько МП или микроЭВМ, образуя соот-
ветственно одно- или много(мулъти) процессорную, одно- или многомашин-
ную вычислительные системы релейной защиты.
Обработка информации в многопроцессорных и многомашинных
вычислительных системах может осуществляться одновременно как по
независимым программам, так и по независимым на отдельных участ-
ках ветвям программы.
Применение МП и микроЭВМ для выполнения функций релейной
защиты обусловлено их широкими функциональными возможностями,
189
обеспечивающими создание защит нового поколения практически лю-
бой сложности и высокой надежности.
Обобщенная структурная схема микропроцессорной релейной защи-
ты приведена на рис. 3.60. Информация о параметрах режима работы
объекта защиты X выделяется измерительными преобразователями ИП
(трансформаторами тока, трансформаторами напряжения, датчиками
положения коммутационных аппаратов и др.) и подается в устройство
релейной защиты. В устройстве защиты вначале должно быть осуще-
ствлено входное согласование ВС1 входных сигналов по уровню и галь-
ваническая развязка. Это согласование осуществляется соответствую-
щими входными согласующими устройствами, например, промежуточ-
ными трансформаторами тока и напряжения, образующими входной
блок защиты. После этого, при необходимости, надо выделить основ-
ную гармонику сигнала, так как входные сигналы кроме основной мо-
гут содержать и другие гармоники, обусловленные наличием апериоди-
ческой составляющей и другими причинами. Эти другие гармоники зат-
рудняют достоверное распознавание режима работы объекта защиты.
Для специальных защит также требуется выделение, например сим-
метричных составляющих, других аварийных слагающих из полной
электрической величины. Это выделение осуществляется частотной
фильтрацией Ф входного сигнала Х^ с применением соответствующих
фильтров, которые могут создаваться, в общем случае, как аппаратным,
так и программным путем в составе вычислительной системы. Прошед-
ший фильтрацию аналоговый сигнал X' затем должен быть преобразо-
ван в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе АЦП и пос-
ле этого подан на вход вычислительной системы защиты.
Сеть передачи данных,
УВВ
Рис. 3.60. Обобщенная структурная схема микропроцессорной релейной защиты
190
В процессе аналого-цифрового преобразования входной сигнал X'
дискретизируется по времени и по уровню. Шаг дискретизации по вре-
мени влияет на быстродействие вычислительной системы и защиты в
целом, а шаг дискретизации по уровню определяет точность представ-
ления в цифровом виде входной величины X'.
Вычислительная система защиты осуществляет переработку посту-
пающей информации в реальном масштабе времени, распознает и иден-
тифицирует режим работы объекта защиты. При обнаружении аварий-
ного режима она вырабатывает управляющие решения, которые после
выходного согласования ВС2 подаются на исполнительные органы ИО
объекта защиты, отключающие его с помощью высоковольтных вык-
лючателей от источников электроэнергии. Согласование выходных сиг-
налов вычислительной системы с сигналами управления Uосуществля-
ется в общем случае с гальваническим разделением цепей. При выпол-
нении релейной защитой еще и функций автоматики, например АПВ,
управляющие сигналы Uмогут подключать объект к источникам элект-
роэнергии, осуществлять другие регулирующие управления.
Для распознавания режима работы объекта в вычислительной сис-
теме релейной защиты создаются виртуальные измерительные органы,
которые, как и измерительные органы, выполненные на электромеха-
нической и полупроводниковой элементных базах, формируют и срав-
нивают сформированные величины по алгоритмам конкретных защит —-
токовых, дистанционных и т.д. В общем случае может быть сформирова-
но несколько величин, являющихся функциями входных величин тока
и напряжения, которые затем попарно сравниваются.
Процесс формирования и сравнения имеет свои особенности, обус-
ловленные тем, что информация о значениях входных величин X' по-
ступает после АЦП в вычислительную систему в цифровом виде — в
виде цифровых сигналов, соответствующих мгновенным значениям
входных величин, над которыми затем производятся арифметические и
логические операции по соответствующим алгоритмам. При этом воз-
можно получение характеристик срабатывания практически любой
сложности.
При создании микропроцессорных защит можно выделить два ос-
новных взаимосвязанных направления: разработка структуры вычисли-
тельной системы, которая позволяла бы оптимально и без ограничений
реализовать алгоритмы защит и отвечала бы требованиям, предъявляе-
191
мым к аппаратуре релейной защиты, в том числе по надежности и быст-
родействию функционирования, удобству эксплуатации и др.; разработ-
ка алгоритмов функционирования защиты, имеющих повышенное тех-
ническое совершенство и эффективно использующих возможности вы-
числительной техники.
Микропроцессорные защиты выполняются децентрализованными
интегрированными, включающими в себя не только функции защиты,
но и автоматики АПВ, УРОВ и т.д. одного объекта или узла сети. Они
имеют интерфейс связи с другими системами и входят в состав автома-
тизированных систем управления электроснабжением.
Принципы построения микропроцессорной релейной защиты. Эти прин-
ципы должны обеспечить требуемый уровень ее технического совершен-
ства, в том числе чувствительность, селективность, быстродействие и
надежность. Современное развитие вычислительной техники и опыт
создания микропроцессорных релейных защит позволяют выделить сле-
дующие основные принципы разработки программно-технического
обеспечения защиты.
Иерархичность. Система защиты должна иметь в общем случае не-
сколько иерархических уровней внутреннего управления. Так, напри-
мер, для релейной защиты электротяговых сетей достаточно иметь
двухуровневую структуру — управляющий и управляемые уровни. Уп-
равляющий уровень выполняет функции управления программными и
техническими элементами системы, расположенными на нижнем уров-
не, а также функции связи с внешними системами, в том числе опера-
тивным и обслуживающим персоналом. На нижнем (управляемом) уровне
располагаются программы и технические средства, осуществляющие
собственно функции защиты и автоматики. Наличие двух (и более) уров-
ней позволяет рассматривать релейную защиту как сложную систему,
которая при отказе отдельных ее элементов продолжает выполнять часть
своих функций с сохранением полностью или частично показателей
эффективности функционирования.
Мультипроцессорность. Система защиты должна состоять из совокуп-
ности, в общем случае, однородных (по возможности) независимых мик-
ропроцессоров, взаимодействующих через поле общей памяти или с по-
мощью специального канала связи. Это позволяет достигнуть требуемой
надежности и быстродействия защиты. При этом целесообразно вклю-
чить в систему избыточные по отношению к минимальному набору мик-
ропроцессоры для обеспечения более высокой функциональной надеж-
ности и готовности защиты при работе в реальном масштабе времени.
192
Функциональная децентрализация. Совокупность задач защиты и ав-
томатики должна распределяться между разными микропроцессорами
для обеспечения одновременности выполнения этих задач. Это позво-
ляет обеспечить необходимое быстродействие и надежность (живучесть)
системы защиты. При этом следует учитывать, что функции несколь-
ких защит также распределяются между различными микропроцессо-
рами. На каждый микропроцессор возлагается одна основная и еще
одна-две защиты по приоритету.
Модульность. Система защиты и совокупность се системообразую-
щих элементов должны выполняться в виде независимых взаимозаме-
няемых вычислительных (технических и программных) модулей для
обеспечения надежности функционирования и ремонтопригодности.
Модульность программного обеспечения позволяет расширять (нара-
щивать) функции системы защиты без существенного изменения про-
граммного и технического обеспечения.
Динамическое перераспределение функций. Система защиты должна
обладать способностью перераспределения своих функций между ра-
ботоспособными элементами при возникновении отказов в ее элемен-
тах путем автоматической реконфигурации системы, т.е. должно обес-
печиваться программное перераспределение функций защит.
Комплексное проектирование. Система защиты в общем случае долж-
на проектироваться как единое устройство, выполняющее все функции
релейной защиты и автоматики электрооборудования, и являться авто-
номной подсистемой в автоматизированной системе управления элек-
троснабжением, например тяговой подстанции, имеющей информаци-
онные связи с другими подсистемами.
Развитие системы. Система защиты должна строиться как откры-
тая система, позволяющая наращивать вычислительные мощности и
функции, модификацию программного обеспечения.
Использование приведенных принципов определяется конкретным
назначением и условиями использования защиты. С развитием средств
вычислительной техники они могут расширяться и дополняться. Напри-
мер, уже сейчас релейная защита может быть создана по принципам и
методам экспертных систем с интеллектуализаций функций по распоз-
наванию и идентификации режима работы защищаемого электрообо-
рудования.
Важнейшей задачей при создании микропроцессорной защиты яв-
ляется разработка структуры ее вычислительной системы — техничес-
193
кого состава, связей, организации внутреннего управления. В качестве
примера на рис. 3.61 приведена одна из возможных двухуровневых иерар-
хических структур вычислительной системы.
На первом уровне располагаются вычислительные модули ВМ1Л, создан-
ные на базе одного или нескольких микропроцессоров и выполняющие
функции защит и автоматики. Их число, в общем случае, равно числу
исполняемых функций. Дополнительно могут устанавливаться резерв-
ные модули ВМ1Р. Входная информация о токе, напряжении и др. по-
ступает в вычислительные модули первого уровня после преобразова-
ния в цифровой вид в аналого-цифровых преобразователях АЦП. Эта
информация подается в «свой» вычислительный модуль, атакже по внут-
согласующим
устройствам
Рис. 3.61. Структура вычислительной системы микропроцессорной релейной
защиты
194
рснним линиям связи передается между вычислительными модулями
первого уровня под управлением управляющего модуля второго уровня
ВМ2. Вычислительный модуль ВМ2 выполняет функции управления
системой в соответствии с принятым принципом координации и связи
с внешними системами (оператором, обслуживающим персоналом, ав-
томатизированной системой управления).
Защиты объекта могут быть распределены между вычислительными
модулями ВМ1 так, что каждый из них реализует одну основную (для
него) и одну-две других защит по приоритету. Это позволяет выполнять
системе защиты свои функции при отказе ее элементов путем реконфи-
гурации системы или динамического перераспределения функций. При
отказе одного из вычислительных модулей ВМ1 управляющий модуль
ВМ2 может вводить в действие один из резервных модулей ВМ1Р. Уп-
равляющий модуль также инициализирует самодиагностику системы,
выводит информацию на устройства отображения и осуществляет связь
с внешними системами. Вывод управляющих сигналов на исполнитель-
ные органы объекта защиты (через выходные согласующие устройства),
а также сигнализацию осуществляют вычислительные модули первого
уровня через свои выходные элементы независимо друг от друга.
Программное обеспечение релейной защиты реализует алгоритмы за-
щит и автоматики защищаемого объекта и внутреннее управление эле-
ментами системы в реальном масштабе времени. Его структура, состав и
содержание должны обеспечить выполнение всех функций защиты и ав-
томатики с заданным быстродействием и надежностью и определяются
конкретным назначением системы защиты и предъявляемыми к ней тре-
бованиями, а также производительностью (объем памяти, быстродей-
ствие) и структурой технических средств ее вычислительной системы.
Большое значение имеют также опыт и предпочтения разработчиков.
Программное обеспечение релейной защиты целесообразно созда-
вать методами структурного программирования. При этом, в большин-
стве случаев, все программное обеспечение, например вычислительных
модулей первого уровня мультипроцессорных защит (см. рис. 3.61), до-
статочно разделить также на два уровня. Первый уровень составляют про-
граммы ввода-вывода информации, программы отдельных измеритель-
ных, пусковых и логических органов защит, программы предваритель-
ной обработки информации — частотная фильтрация, расчет
сопротивления петли короткого замыкания и др. Второй уровень — это
управляющая программа, организующая очередность выполнения про-
195
грамм первого уровня. Эта программа после выполнения очередной
программы первого уровня в зависимости от полученных результатов и
текущего времени запускает следующую программу первого уровня.
Такой принцип построения программного обеспечения позволяет до-
статочно просто в последующем изменять состав и содержание программ.
Программы первого уровня, осуществляющие распознавание и иден-
тификацию режима работы защищаемого объекта, в свою очередь, в
общем случае можно разделить на две группы. Одну группу составляют
программы фиксации появления короткого замыкания в защищаемых
элементах объекта — программы пусковых органов. Эти программы дол-
жны выполняться непрерывно в реальном масштабе времени. Они тре-
буют, обычно, контроля большого числа входных величин с малым ша-
гом дискретизации (по некоторым оценкам от 1 до 3 мс) и несмотря на
относительную простоту предъявляют к техническим средствам вычис-
лительной системы весьма высокие требования по быстродействию.
Другую группу представляют программы измерительных и логичес-
ких органов, предназначенные для выявления конкретного поврежден-
ного элемента, места (зоны) короткого замыкания и принятия решения
по локализации аварии. Эти программы могут выполняться эпизодичес-
ки после обнаружения факта наличия короткого замыкания в защищае-
мых элементах объекта, т.е. запускаться от программ пусковых органов.
Программы измерительных органов целесообразно выполнять из
двух последовательно выполняемых этапов. Первый этап — сбор значе-
ний входных величин (токов, напряжений), необходимых для выпол-
нения программы. Он выполняется сразу же после сообщения от про-
грамм пусковых органов о возникновении короткого замыкания и со-
ставляет обычно от 10 до 20 мс (реальный масштаб времени). Второй
этап ~ обработка информации. Время его выполнения определяется
только быстродействием технических средств и для существующих мик-
ропроцессорных средств может составлять единицы микросекунд.
Принципы программного обеспечения достоверности, надежности,
помехоустойчивости, самодиагностирования, реконфигурации и дина-
мического перераспределения функций и др. принципиально не отли-
чаются от соответствующего программного обеспечения вычислитель-
ных информационно-управляющих систем реального времени.
Ввод аналоговых входных величин в вычислительную систему защиты.
От измерительных преобразователей ИП сигналы в виде непрерывных
значений напряжения, тока или омического сопротивления поступают
196
на входные согласующие устройства
ВС1 (см. рис. 3.60), где они преоб-
разуются в пропорциональные или
непрерывные значения напряже-
ния. Далее, при необходимости, они
фильтруются. После этого осуществ-
ляется их аналого-цифровое преобра-
зование (АЦП) в цифровую форму, в
которой вычислительная система за-
щиты способна их воспринимать и
обрабатывать. В процессе преобра-
зования эти сигналы дискретизиру-
ются. Процесс дискретизации
Рис. 3.62. Дискретизация аналоговой
входной величины по времени и уровню
включает в себя квантование аналоговой входной величины по уровню
и по времени (рис. 3.62) и заключается в следующем. Используемый диа-
пазон значений входной величины разбивается на ряд дискретных зна-
чений по времени (с шагом квантования Аг) и по уровню (с шагом кван-
тования Ах). При этом любому значению входной величины с коорди-
натами и xi ставится в соответствие ближайшая пара дискретных
* *
значений t и х. . Расстояние между двумя соседними значениями вход-
ных дискретных величин А/и Ах называют шагом квантования. Чем мень-
ше величина шагов квантования А/ и Ах, тем точнее аналоговый сигнал
х =/(/) представляется в цифровой форме.
Шаг квантования AZ задает темп поступления информации в вычис-
лительную систему и, следовательно, быстродействие ввода информа-
ции и защиты в целом. Его величина может быть определена на основа-
нии теоремы Котельникова, согласно которой A? <l/(2/w), где fm — зна-
чение максимальной частоты гармонической слагающей, учитываемой
во входной величине.
Шаг квантования по уровню Ах определяет точность представления
входной аналоговой величины входной дискретной величиной, выражен-
ной обычно в двоичном или в двоично-десятичном коде, и характеризу-
ется разрядностью АЦП. Так, например, при 16-разрядном АЦП весь ди-
апазон значений аналоговой входной величины может быть в двоичном
коде представлен 216 ее отдельными дискретными значениями.
Релейные защиты для распознавания и локализации аварийных ре-
жимов используют некоторое множество входных аналоговых величин —
токи, напряжения и т.д., число которых определяется конкретным на-
197
Рис. 3.63. Структурная схема ввода
аналоговых входных величин
значением системы защиты.
При этом важным вопросом яв-
ляется организация структуры
ввода этих величин. Возможны
два варианта структуры ввода,
показанных на рис. 3.63.
Первый вариант показан
для группы аналоговых вход-
ных сигналов общим числом
X', второй — для сигналов
группы Х'^. В первом варианте
используется общий для всех входных величин АЦПц с установкой
мультиплексора М (коммутатора входных сигналов) который по коман-
дам вычислительной системы поочередно подключает для преобразо-
вания к АЦП 11 каждую входную величину х^. При этом время Т ввода
п
всех величин группы составляет: Т = At где А^ — время преобра-
1
зования и ввода одной величины ; п — число входных величин X'.
Поскольку в каждый момент времени вводится только одна величи-
на, то значения других входных величин в этот момент времени могут
быть потеряны. В то же время для принятия защитой достоверного ре-
шения часто требуется одновременное (синхронное) измерение вход-
ных величин. В этом случае применяют специальные блоки одновремен-
ной выборки и запоминания входных сигналов с последующим поочеред-
ным их преобразованием и вводом. Применение мультиплексора
уменьшает затраты на технические средства ввода. Однако все другие
характеристики — точность, быстродействие, помехоустойчивость от его
применения ухудшаются.
Отмеченные недостатки частично могут быть устранены соответству-
ющим увеличением быстродействия АЦП вычислительной системы или
применением второго варианта —- с индивидуальными АЦП2р..АЦП2л
для каждого преобразования и ввода каждой входной величины *21---x2zr
Целесообразность использования этих вариантов (или их комбинаций)
определяется в каждом конкретном случае.
Алгоритмы виртуальных измерительных органов. Вычислительная
система защиты способна реализовать алгоритмы работы любого орга-
198
на и (или) их совокупности с любой характеристикой срабатывания.
Алгоритм задается программой, в соответствии с которой проводится
непосредственный расчет по соотношениям, аналитически описываю-
щим действия защиты по распознаванию и локализации аварии. Суще-
ствует большое число алгоритмов защиты, определяемое принятыми
принципами распознавания и идентификации режима работы защи-
щаемого объекта. В качестве примера рассмотрим алгоритмы защиты с
одной и двумя входными величинами.
При измерении значений одной входной величины — тока или на-
пряжения защищаемого объекта — наиболее простым может быть алго-
ритм (рис. 3.64, а), при котором контролируется интервал времени А/,, в
течение которого мгновенное значение сравниваемого напряжения
(пропорциональное напряжению или току в защищаемом объекте) пре-
вышает уставку и. и, если этот интервал больше заданного А/. , фор-
мируется команда на отключение.
Пример алгоритма дистанционного измерительного органа с двумя
входными величинами ui и ii (для случая однофазного короткого замы-
кания) приведен на рис. 3.64, б.
Вычислительная система защиты фиксирует мгновенное значение
напряжения wzl(w^) в момент прохождения тока ii через нуль. Затем че-
рез четверть периода Т/4 вновь измеряются мгновенные значения на-
пряжения н/2(и'2) и тока /,2(л2). Эти значения могут измеряться непос-
Рис. 3.64. Временное диаграммы защит с одной (а) и двумя (6) входными
величинами
199
редственно или же осуществляться их выборка из серии всех мгновен-
ных значений, измеренных в течение периода Т. Полученные мгновен-
ные значения ип. или и\ , и' . после вычислений позволяют
получить активную и реактивную составляющие сопротивления. Выра-
зим напряжение и ток в виде u(f) = Umi sin со/, /(/) = 2^-sin (со/ — ср). В
момент прохождения тока через нуль имеем /(/) = Imi sin(cof — ф)= 0, от-
куда следует, что в этот момент времени mt = ф. Если в этот момент вре-
мени измерить величину напряжения wz], то очевидно — Umi simp.
Далее измеряются ток i(t) = и напряжение «(/) = ровно через чет-
верть периода (7/4) после первого измерения. Поскольку (п = 2л/ а Г= 1//
то этому моменту времени соответствует угол mt = ф + л/2. Следователь-
но, для этого момента времени имеем:
/(0=4-2 =^w.sin«p+7t/2-cp) = Zm.,
«(0=«.2
= Umi эт(ф + Л/2) = U . СОБф.
Через пол пери ода измерения повторяются.
На основе полученных значений и^, (или через полпериода
и' , и' , i' ) вычисляют:
Н /2 12'
и.- U U . СОБф U . 8Шф
+ у _1L = _+J _ = л + jX = z,
/ I . I .
/2 i2 mi mt
где А, X, Z — соответственно активное, индуктивное и полное сопротивления
цепи короткого замыкания, измеряемые защитой.
Далее полученные значения R и ^сравниваются с заданными значе-
ниями, что позволяет судить о наличии или отсутствии короткого за-
мыкания.
Вычисление и сравнение полученных величин с одной и двумя вход-
ными величинами может быть осуществлено в отдельности как при по-
ложительной, так и при отрицательной полуволне напряжения и тока, а
также в течение всего периода. В последнем случае может быть выявле-
но наличие апериодической составляющей переходного процесса.
Цифровые комплексы. Отечественный и зарубежный опыт показыва-
ет эффективность разработки и использования микропроцессорных
систем релейной защиты и автоматики в электроэнергетике. Их приме-
200
нение позволяет повысить надежность релейной защиты, поскольку
микропроцессорные системы в значительной мере являются самоконт-
ролирующимися системами; получить характеристики измерительных
органов, труднодостижимые в аналоговых устройствах, причем харак-
теристики могут легко видоизменяться в зависимости от задаваемой
программы; реализовать принципиально новые возможности построе-
ния релейной защиты, обеспечивающие ее правильные действия в ус-
ловиях неполноты и недостоверности входной информации; использо-
вать для анализа аварийного режима информацию о режиме работы
объекта защиты перед возникновением аварии, а также информацию
от многих датчиков, установленных как на данном объекте защиты, так
и на смежных; обеспечивать возможность автоматической самонастрой-
ки, адаптации к объекту защиты.
В то же время отсутствует достаточно обоснованная теория микро-
процессорных защит, оптимального построения ее технического и про-
граммного обеспечения, надежности функционирования, в том числе
при наличии сбоев, и др., что в известной степени сдерживает развитие
и применение этих защит. Кроме того, их стоимость пока еще значи-
тельно выше других видов защит. С развитием и совершенствованием
микропроцессорной техники эти недостатки будут преодолены.
Особенности цифровой обработки входных сигналов измерительны-
ми органами микропроцессорных защит рассмотрены в [18], а исполь-
зование микропроцессорной элементной базы — в [17]. Примеры вы-
полнения таких защит описаны в [36, 37].
Наибольший эффект микропроцессорные (цифровые) системы обес-
печивают при комплексном использовании, когда они выполняют фун-
кции не только релейной защиты какого-либо присоединения, но и ус-
тройства автоматики (АПВ, АВР, УРОВ), диагностики (самоконтроль
системы, предварительное опробование включаемого объекта для уста-
новления его исправности, определение места повреждения объекта при
аварийных отключениях), анализа характера электрических процессов,
вызывавших срабатывание защиты. В этом случае на вход цифрового ус-
тройства (рис. 3.65) поступают аналоговые сигналы от трансформаторов
тока ТА и напряжения TV и логические сигналы от переключателей SA и
контактов SQ схемы защиты, автоматики и управления объекта.
Входные преобразователи Ul—U4 обеспечивают гальваническую
развязку цифровой системы от внешних цепей, защиту от помех и на-
пряжений, приведение входных сигналов к виду и уровню, удобному
201
Рис. 3.65. Функциональная схема цифрового устройства защиты и автоматики
для использования в микроЭВМ (микропроцессоре), фильтрацию. Вы-
ходные сигналы также гальванически развязываются от тех цепей, куда
они поступают. В качестве выходных преобразователей дискретных сиг-
налов могут выступать промежуточные (как правило, герконовые) реле
KL1, KL2, предусматривается и коммуникационный порт XI для дис-
танционной связи с другими устройствами автоматической системы уп-
равления, телемеханики и т.п.
Аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму аналого-
цифровым преобразователем U6. В целях экономии числа АЦП анало-
говые сигналы подаются на его вход через мультиплексор U5, который
выполняет роль электронного коммутатора. Мультиплексор поочеред-
но подает аналоговые сигналы разных входов на АЦП, поэтому один
АЦП в данном случае используется для нескольких каналов. Возможно
применение для каждого канала своего АЦП.
202
Входные преобразователи Ul, U2 дискретных сигналов выполняют-
ся, как правило, в виде оптронов (светодиод—фотоприемник). Входные
преобразователи U3—U4 аналоговых сигналов должны обеспечить, кро-
ме всего прочего, линейную передаточную характеристику в заданном
диапазоне изменения контролируемой величины и температуры окружа-
ющей среды. Наибольшее распространение пока имеют трансформато-
ры с ферромагнитным сердечником, в котором принимаются специаль-
ные меры для снижения межобмоточной емкости, поскольку именно че-
рез нсс импульсные помехи попадают в микроЭВМ. В установках
постоянного тока для этой цепи используются шунты, датчики Холла.
На дисплей Н выводится служебная информация, необходимая, на-
пример, при наладке защиты в соответствии с требуемыми уставками.
В эксплуатации микроЭВМ запоминает и выводит на дисплей Н ин-
формацию о характере параметров аварийного режима (ток, напряже-
ние, осциллограммы), имевших место при нескольких последних от-
ключениях, и др. В простейшем виде дисплей Н может выглядеть как
светодиодный индикатор. Применяются также жидкокристаллические
индикаторы, графические дисплеи.
Хранение рабочей программы осуществляется в постоянном запо-
минающем устройстве ПЗУ, запись информации в которую вносится
однократно. Ряд параметров, например уставки, в процессе эксплуата-
ции необходимо не только хранить, но и по мере надобности изменять.
Это осуществляется с помощью перепрограммируемого постоянного
запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ и ППЗУ обязательно должны
обладать энергонезависимой памятью. Это значит, что при исчезнове-
нии напряжения питания хранимая в них информация разрушаться не
должна.
Временное хранение результатов промежуточных вычислений в про-
цессе функционирования микроЭВМ U7 осуществляется в оператив-
ном запоминающем устройстве ОЗУ. При отключении питания инфор-
мация в ОЗУ, как правило, не сохраняется.
Кнопки SB1, SB2 являются элементами или частью клавиатуры, с по-
мощью которой в цифровое устройство вводятся уставки, изменяется ре-
жим его работы, вызываются на дисплей требуемые параметры и т.п.
Блок питания U8 подключается к цепи оперативного напряжения и
обеспечивает стабилизацию и помехоустойчивость выходного напряже-
ния, поступающего на все узлы цифрового устройства. Для надежности
к блоку питания могут подводиться две питающие сети: переменного и
203
постоянного тока. Основное питание осуществляется от сети перемен-
ного тока. При исчезновении в ней напряжения блок питания автома-
тически переключается на резервную сеть постоянного тока.
3.7. Основные сведения об интеллектуальных терминалах
Комплектные устройства SPAC-800 (SPAC-810), терминалы RE_5xx,
RE_670 и защиты SPA_100, SPA_300. Микропроцессорные устройства
SPAC-800, SPAC-810, RE_5xx, RE_670, SPA_100, SPA_300 выпускаются
ООО «АББ Автоматизация» (Реле-Чебоксары). Комплектное устройство
защиты и автоматизации распределительных сетей 6-10-35 кВ SPAC-800
и более поздней модификации SPAC-810 применяются в схемах вторич-
ной коммутации для использования в качестве основных и резервных
защит кабельных и воздушных линий, трансформаторов малой и сред-
ней мощности, синхронных и асинхронных двигателей, реакторов и
других присоединений. Одно устройство (терминал) заменяет большое
количество электрических аппаратов, измерительных, сигнальных, вы-
ходных и других реле. Эти устройства устанавливаются в комплектных
трансформаторных подстанциях, в ячейках КРУ и КСО 6-10 кВ, в рас-
пределительных устройствах, в низковольтных комплектных устрой-
ствах и др.
Терминалы осуществляют индикацию текущих и аварийных значе-
ний токов, уставок и сработавших каналов на цифровом дисплее и ин-
дикаторах. В памяти сохраняются параметры последних аварийных со-
бытий, позволяющие анализировать и оценивать повреждения, а также
учитывать ресурс оборудования.
К функциям управления терминала SPAC-800 относятся: оператив-
ное включение и отключение выключателя с помощью внешних клю-
чей, отключение выключателя от устройств автоматики, АЧР и внешних
защит, двукратное АПВ, блокирование действия защит от внешнего
органа напряжения, блокирование от многократных включений вык-
лючателя, автоматическое ускорение действия второй ступени МТЗ при
включении выключателя, УРОВ, логическая защита шин, АВР и др.
В шифре комплектного устройства буквы SP означают — статичес-
кое (Static Protective), буква А — комбинированное, многоступенчатое,
буква С — для релейной защиты.
Функции защиты в устройстве SPAC-800 осуществляются с помощью
вычислительно-логических типовых модулей SPC_, в шифре которых
204
вместо черточки могут стоять буквы D, J, R, S или U, которые обознача-
ют: D, J, S — дифференциальная, токовая и направленная защиты, R —
регистр режимов, U — защита по уровню напряжения.
Так, например, модуль SPSJ содержит:
— трехступенчатую ненаправленную максимальную токовую за-
щиту (МТЗ) IN = 1 или 5 А; 1> = (0,5—5,0) IN, /», 1»> = (0,5—40) IN,
Г-(0,04-300) с;
— двухступенчатую ненаправленную защиту от 033 (Тдг = 0,2 или 1 А),
70> = (0,1-0,8) IN, /0»(0,1—10) IN, Т= (0,05-300) с;
— защиту от несимметричной работы нагрузки Д/ = (0,1—1)1^, Т-
= (1-300) с.
В описании функций и технических данных модулей защит приня-
ты следующие обозначения:
1»>, /», /> — токи срабатывания (уставки) соответственно пер-
вой, второй и третьей ступеней трехступенчатых защит;
t »>, t», t > — выдержки времени соответственно первой, второй
и третьей ступеней трехступенчатых защит;
U <, U << — напряжение срабатывания соответственно второй и пер-
вой ступеней двухступенчатой защиты минимального напряжения;
U >, U >> — напряжение срабатывания соответственно второй и пер-
вой ступеней двухступенчатой защиты максимального напряжения.
Микропроцессорные устройства (терминалы) RE_5xx осуществля-
ют функции защиты, автоматики, управления, индикации и регистра-
ции в установках напряжением 110 кВ и выше. В шифре устройства вме-
сто черточки могут стоять буквы В, С, D, F, G, L, М или Т, которые оз-
начают: В — дифференциальная защита шин, С — устройство контроля
и управления высоковольтными аппаратами, D — продольная диффе-
ренциальная защита ЛЭП, F — многофункциональный терминал, G —
защита генератора и блоков генератор-трансформатор, L — токовые и
дистанционные защиты ЛЭП, М — защита электродвигателей, Т — диф-
ференциальная защита трансформаторов, автотрансформаторов, оши-
новок, шунтирующих реакторов, блоков генератор-трансформатор.
Например, терминал REL511 предназначен для защиты линий 110 кВ
и выше. В его состав входят: пятиступенчатая дистанционная защита,
пятиступенчатая дистанционная защита от замыканий на землю, четы-
рехступенчатая направленная токовая защита нулевой последователь-
ности от замыканий на землю, токовая отсечка при междуфазных КЗ,
максимальная токовая защита при междуфазных КЗ, ускорение защи-
205
ты при включении линии, блокировки при качениях, контроль и бло-
кировка при неисправности цепей напряжения, УРОВ, АПВ, контроль
синхронизма, команды управления.
Осуществляются измерение токов, напряжений, активной и реактив-
ной мощности, частоты. Регистрируются векторные величины токов и
напряжений, аномальных режимов, событий. Определяется удаленность
места повреждения.
Терминал REF542plus осуществляет функции защиты, измерения,
управления и контроля. Он содержит максимальную токовую защиту
МТЗ с независимой выдержкой времени, МТЗ с обратнозависимой вы-
держкой времени, направленную МТЗ, защиту от понижения и повы-
шения напряжения, дистанционную защиту, дифференциальную защиту
трансформатора и двигателя, тепловую защиту (кабеля, трансформато-
ра, двигателя), защиту обратной мощности, проверку синхронизма.
Терминал состоит из основного блока и блока управления. Основной
блок содержит источник питания, процессор, модули аналогового и дис-
кретного ввода-вывода, модули для вспомогательных функций. Блок уп-
равления — функционально законченная единица с собственным источ-
ником питания. Он может быть установлен на двери низковольтного от-
сека и используется обычно для установки параметров защиты и
локального воздействия на коммутационные аппараты распределитель-
ного устройства. Блок управления содержит жидкокристаллический дис-
плей с подсветкой, восемь нажимных кнопок, несколько светодиодов и
интерфейс электронного ключа. Левая половина дисплея используется
для отображения однолинейной схемы коммутации, на правой половине
отображается выбираемое пользователем меню, текстовая информация
о результатах измерений, сообщения и запись регистратора событий.
Новая модификация терминала RE_5xx имеет шифр RE_670. Уст-
ройство REL670 предназначено для защиты ЛЭП напряжением 110 кВ
и выше. Оно содержит пятиступенчатую дистанционную защиту, селек-
тор фаз, блок качаний, токовую отсечку ТО, МТЗ, четырехступенчатую
защиту нулевой последовательности от замыканий на землю, логику ВЧ-
связи, контроль TH и ТТ, АПВ, УРОВ, ОМП и др. Терминал RED670
содержит комплект дифференциальной защиты двухконцовых ЛЭП, ТО,
МТЗ, УРОВ и др. Терминал RET670 предназначен для защиты транс-
форматоров, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов, блоков
генератор-трансформатор, трансформатор-шины-ЛЭП. Он содержит
дифференциальную защиту, ТО, четырехступенчатую МТЗ, УРОВ и др.
206
Устройство REC670 осуществляет контроль и управление высоковольт-
ными аппаратами. Терминал REB670 используется для защиты шин. Он
содержит две зоны дифференциальной защиты, дополнительный чув-
ствительный дифференциальный измерительный орган, логику выбо-
ра зон защиты, контроль исправности цепей ТТ, защиты «мертвой» зоны,
резервные МТЗ присоединений, УРОВ, АПВ и др.
Микропроцессорные реле защиты SPA100, SPA_300 используются
в качестве основных и резервных защит в электроустановках 0,4 кВ и
выше (ВЛ, КЛ, трансформаторы малой и средней мощности, синхрон-
ные и асинхронные двигатели малой, средней и большой мощности,
конденсаторные батареи и др.). Они применяются в комплектных транс-
форматорных подстанциях, в ячейках КРУ и КСО, панелях и шкафах
защит, распределительных устройствах 0,4 кВ и др.
В шифре защиты вместо черточки могут стоять буквы A, D, F, J, М,
S, U, означающие: А — комбинированная защита, D — дифференци-
альная защита, F — реле частоты, J — токовая защита, М — защита дви-
гателя, S — направленная защита, U — защита по напряжению.
SPA_100, SPA_300 осуществляют функции защиты, индикации и ре-
гистрации. Функции управления в них не предусмотрены. В качестве
защит используются ТО, направленные и ненаправленные многоступен-
чатые МТЗ, одно- или двуступенчатые защиты нулевой последователь-
ности от замыканий на землю, защиты максимального и минимального
напряжений, защита от несимметричной работы, защита тепловой пе-
регрузки и пусковых режимов, контроль разности напряжений, частот
и фаз, АПВ, дифференциальная защита для трансформаторов, защита
от снижения частоты и др.
На рис. 3.66 приведен пример схемы подключения реле типа SPAM
150 С. Это реле предназначено для защиты электродвигателя и содер-
жит защиту тепловой перегрузки, защиту пусковых режимов, трехфаз-
ную токовую отсечку, защиту от несимметричной работы, минималь-
ную токовую защиту и защиту от однофазных замыканий на землю.
ОАО «ВНИР» выпускает микропроцессорный терминал «ТЭМП2501»
для защиты, автоматики и управления присоединений в электроустанов-
ках 0,4—35 кВ. Защищаемыми объектами могут быть ВЛ, КЛ, секцион-
ные и вводные выключатели, синхронные электродвигатели малой и сред-
ней мощности, линии к трансформаторам собственных нужд. В терми-
нале реализованы следующие защиты: трехступенчатая ненаправленная
МТЗ, ненаправленная токовая защита от замыканий на землю, защита от
несимметричного режима работы (обрыва фазы), УРОВ, защита мини-
207
00
LI
L2
Модуль
сопряжения
с шиной
Разрешение
напуск
Вход
управления
Само-
контроль
Предупреди-
тельная Аварийный
Пуск сигнализация сигнал
+• Срабаты-
вание
63 0 2 3 4 5 6 7 8 9 25 26 27 1J 10 61 62 70 71 72 74 75 77 78 80 81 68 69
I rcn rcn fm гсп —Ч—-
SPAM 150 С
U1 SPCJ4D34
Рис. 3.66. Схема подключения микропроцессорного реле защиты SPAM 150 С
IIIBI
EXNERNALTRJP
“RELAY RESET
из SPTK4E3
START
STALL
РФ START RE START
мального напряжения. Терминал выполняет функции автоматики: АПВ,
АЧР, АВР, блокировка от многократных включений выключателя.
Функции управления: местнос/дистанционное управление выклю-
чателем, контроль цепей управления (РПО, РПВ). Кроме того, выпол-
няются функции измерения, регистрации и сигнализации: измерение
действующих значений 3-фазных токов и тока нулевой последователь-
ности, индикация текущих и аварийных параметров, регистрация ава-
рийных параметров, встроенный аварийный осциллограф, индикация
текущего состояния дискретных входных сигналов и выходных реле,
календарь и часы реального времени.
Реле защиты осуществляют индикацию текущих и аварийных значе-
ний токов и напряжений, уставок и сработавших каналов на цифровом
дисплее и индикаторах. В памяти сохраняются параметры последних ава-
рийных событий, позволяющие анализировать и оценивать место повреж-
дения и ресурс оборудования. Все данные аварийного и нормального ре-
жима передаются в систему наблюдения и управления верхнего уровня.
Потребляемая мощность для реле типа SPA-100 до 6 Вт, для реле типа
SPA-300 не более 15 Вт, масса не более 3,5 и 5 кг соответственно.
Микропроцессорная защита БМРЗ. Предприятием НТЦ «Механот-
роника» освоено производство ряда многофункциональных микропро-
цессорных блоков релейной защиты и автоматики БМРЗ [143J.
Блоки БМРЗ предназначены для выполнения функций релейной
защиты, автоматики, управления и сигнализации присоединений 0,4—
110 кВ: воздушных и кабельных линий электропередачи, секционных и
вводных выключателей распределительных подстанций, шкафов сек-
ционирования, трансформаторов, синхронных и асинхронных двига-
телей любой мощности.
БМРЗ устанавливают в релейных отсеках КРУ и КРУН, на панелях
и шкафах в релейных залах и пультах управления электростанций, в том
числе атомных, распределительных подстанций на сетевых предприя-
тиях. Областью применения БМРЗ являются также подстанции газо-
вых и нефтяных промыслов, нефтеперекачивающих и компрессорных
станций, местных электростанций и других объектов газовой и нефтя-
ной промышленности. БМРЗ используют в КРУ метрополитена и тяго-
вых подстанций электрифицированных железных дорог, а также на под-
станциях промышленных и коммунальных предприятий.
БМРЗ применяют в качестве резервных защит трансформаторов 110
(220) кВ.
209
На основе БМРЗ выпускаются модификации блоков, которые отли-
чаются набором функций, составом входных и выходных сигналов, ал-
горитмами автоматики и сигнализации.
По различным проектам вторичных систем КРУ созданы типовые
комплекты блоков БМРЗ, которые применяются для оснащения новых
и реконструкции действующих распределительных устройств любых
КРУ — строительных заводов.
Так, например, в блоке БМРЗ-ВВ-31, предназначенном для защиты
вводов 6(10), 35 кВ, реализованы следующие функции.
Функции защиты. Максимальная токовая защита (МТЗ) — трехсту-
пснчатая, с ускорением, с комбинированным пуском по напряжению и
контролем напряжения обратной последовательности направлен-
ная (конфигурация выбирается при заказе и задается программно). Пер-
вая и вторая ступени с независимыми времятоковыми характеристика-
ми; третья ступень с выбором типа характеристики: независимой или
зависимой (PT-80, PTB-I и два типа МЭК-255-4).
Уставка
• по току, А:
- для первой и второй ступеней
- для третьей ступени
• по времени, с
• по напряжению, В
• по напряжению С/2>, В
Диапазон
2,50—99,99
1,50—50,00
0,00—99,99
20—80
5—20
Дискретност;
0,01
0,01
0,01
1
1
Защита от однофазных замыканий на землю (033) — одноступенча-
тая, с независимой характеристикой, с одной или двумя выдержками
времени. Может выполняться с контролем тока и напряжения нулевой
последовательности, направленная или ненаправленная (конфигурация
выбирается при заказе и задается программно).
Уставка
• по напряжению, В
• по току, А
(выбор при заказе)
• по времени, с
Диапазон
5—99
0,005—0,250
0,05—2,50
0,50—25,00
2,50—99,99
0,00—20,00
Дискретность
1
0,001
0,01
0,01
0,01
0,01
210
Смена программ МТЗ и 033 производится подачей на вход БМРЗ дис-
кретного сигнала, командой по последовательному каналу или автома-
тически, при изменении направления мощности. БМРЗ обеспечивает
хранение двух наборов уставок и программных ключей функций 033 и
МТЗ, включая параметры пуска МТЗ по напряжению.
Защита от несимметрии и от обрыва фазы питающего фидера (ЗОФ)
реализуется методом расчета тока обратной последовательности /2. Фик-
сацией /2 в момент аварии обеспечивается функция определения места
повреждения.
Уставка
• по току /2, А
• по времени, с
Диапазон Дискретность
0,2—10,0 0,1
1—50 1
Защита от снижения напряжения при включении выключателя (ЗСН)
вводится на 1 с после получения сигнала о включении выключателя,
запускается при снижении линейного напряжения или появлении на-
пряжения обратной последовательности.
Уставка
• по напряжению U <, В
• по напряжению
срабатывания U2 >, В
• по времени, с
Диапазон Дискретность
20—80 1
5—20
0,20—1,00
1
0,01
Защита минимального напряжения (ЗМН) выполняется с контро-
лем двух линейных напряжений и напряжения обратной последова-
тельности. Предусмотрена возможность блокировки ЗМН при пуске
МТЗ и внешним дискретным сигналом. ЗМН может действовать как
с контролем, так и без контроля положения выключателя. При вве-
денном контроле (по сигналу «РПВ») ЗМН срабатывает только при
включенном выключателе. Контроль положения выключателя может
быть выведен, например, при использовании ЗМН в качестве «дели-
тельной автоматики».
Уставка
• по напряжению U < , В
• по напряжению
срабатывания Ui >, В
• по времени, с
Диапазон Дискретность
20—80 1
5—20
0,1—99,9
0,1
211
Дальнее резервирование при отказе защит или выключателей, отходя-
щих от шин линий (ДР), выполняется программно в виде ненаправлен-
ной максимальной защиты по реактивной составляющей тока с неза-
висимой выдержкой времени, с блокировкой по минимальному напря-
жению и пуском по току обратной последовательности.
Уставка
• по реактивным составляющим фазных токов, А
• по времени Грз, с
• по напряжению В
• по времени блокировки ДР по t/j, с
• по току /2> А
• по времени наличия тока/3, с
Диапазон Дискретность
1,0—5,0 0,1
1,0—5,0 0,1
10—100 1
5,0—15,0 1,0
0,4
0,08
Функции автоматики. Автоматическое повторное включение (АПВ) —
двукратное с возможностью блокировки одного или обоих циклов. Оба
цикла АПВ могут блокироваться входными дискретными сигналами,
при неисправности БМРЗ или выключателя, при срабатывании логи-
ческой защиты шин, при срабатывании первой ступени МТЗ. Программ-
но может быть задана блокировка второго цикла АПВ при появлении
напряжения 3(70.
Уставка
• выдержка времени, с:
- первый цикл
- второй цикл
Диапазон Дискретность
0,50—99,99 0.01
2—99 1
Резервирование отказов выключателя (УРОВ). БМРЗ отходящих ли-
ний комплектуются УРОВ-датчиками, БМРЗ вводов — УРОВ-прием-
никами. Сигнал «УРОВд».выдается при невыполнении команды на от-
ключение выключателя, снимается по факту возврата защит.
Уставка
• по времени 7’уров>, с
Диапазон
0,10—2,00
Дискретность
0,01
Логическая защита шин (ЛЗШ). БМРЗ отходящих линий комплекту-
ются датчиками ЛЗШ, БМРЗ вводов — приемниками. Возможна реа-
лизация одного из двух вариантов логической защиты шин — с после-
довательным или параллельным соединением датчиков.
212
Автоматическое включение резерва (АВР) выполняется совместны-
ми действиями БМРЗ-СВ и двух БМРЗ-ВВ или двух БМРЗ-ВВ с конт-
ролем напряжения Щ и частоты на рабочей секции, напряжения на ре-
зервной секции и напряжения до выключателя. Предусмотрена блоки-
ровка АВР при наличии напряжения 3 Uq и по дискретным сигналам.
Предусмотрена возможность выполнения АВР без выдержки време-
ни по команде на дискретный вход (при срабатывании защит трансфор-
матора, при работе технологической автоматики и т.д.), а также автома-
тического восстановления схемы нормального режима после АВР (ВНР).
Уставка Диапазон Дискретность
• пуск АВР по напряжению, В (0—0,8) UnQM 1
• по времени 7\ВР, с 0,1—60,0 0,1
• «разрешение АВР»:
- по напряжению, В 0,8 £/ном
- по частоте, Гц 45,0—55,0 0,1
- по и2, В 5—20 1
Функция управления выключателем. БМРЗ может управлять любым
типом выключателя: масляным, вакуумным, типа ВВ ТЭЛ — производ-
ства «Таврида-Электрик» и др. При этом обеспечиваются следующие
функции:
• местный и дистанционный режимы управления выключателем, за-
щита от многократного включения, а также диагностика исправности;
• определение направления мощности ОНМ — осуществляется по ве-
личине фазового угла между током и напряжением Цзс(^Ав) от~
дельно для каждой пары сигналов. Направление мощности определяется
по первой гармонической составляющей сигналов тока и напряжения;
• диагностика фазировки — противоположная фазировка пар вход-
ных сигналов 7д, (7ВС и обнаруживается системой самодиагно-
стики БМРЗ.
Функции сигнализации. БМРЗ обеспечивает следующие виды сигна-
лизации:
• индикаторную на лицевой панели: состояние защит, автоматики,
положения выключателя;
• исправности блока и выключателя;
• дискретными сигналами (выходными реле): аварийная и предуп-
редительная сигнализация;
• неисправность блока и выключателя, а также другие сигналы по
заказу;
• по последовательным каналам.
213
Измерения и контроль. Информация о фазных токах, максиметр фаз-
ных токов, активной и реактивной составляющих тока прямой последо-
вательности, линейных или фазных напряжений, активной и реактив-
ной мощности, частоте, токе и напряжении нулевой и обратной последо-
вательности, счетчике аварийных отключений, суммарном токе
отключений по фазам, счетчике пусков и срабатываний каждой защиты,
а также успешных и неуспешных циклах АПВ отображается на дисплее
БМРЗ и передается по последовательному каналу на ПЭВМ или в АСУ.
Сведения о типовых комплектах БМРЗ приведены в табл. 3.2.
Цифровые устройства РЗА НТЦ «Механотроника» имеют следую-
щие общетехнические характеристики:
• питание блоков от переменного, выпрямленного или постоянного
тока с диапазоном питающих напряжений от 88 до 264 В;
• все входные и выходные цепи имеют гальваническую развязку с
обеспечением прочности изоляции до 2,5 кВ 50 Гц и 5 кВ импульсного
напряжения. Сопротивление изоляции — не менее 100 МОм;
• выходные дискретные сигналы — контактные или бесконтактные;
• динамический диапазон измеряемых аналоговых сигналов тока и
напряжения соответственно 0,1 — 120 А и 0,5—120 В;
• погрешности срабатывания: потоку и напряжению — не более 3 %,
по времени —• не более 1 %;
• мощность, потребляемая по цепям тока и напряжения, — не более
0,5 В А;
• подавление высших гармоник для защит, действующих по основ-
ной гармонике, — не менее 30 дБ;
• чувствительность каналов тока 3/0—от 3 мА (0,1А по первичному току);
• измерение токов, напряжения, частоты, активной и реактивной
мощности, cos <р;
• два последовательных* порта для связи с ПЭВМ и АСУ, интерфей-
сы - RS-232, RS-485, ВОЛС;
Микропроцессорные комплексы «СИРИУС» и «ОРИОН». Эти комп-
лекты защиты и автоматики разработаны для применения в электри-
ческих сетях 6—35 кВ 1120].
Комплекс «СИРИУС», предназначенный для работы в качестве РЗ
воздушных или кабельных линий напряжением 6—35 кВ с изолиро-
ванной или компенсированной нейтралью и РЗ трансформатора соб-
ственных нужд подстанций, имеет два исполнения: «СИРИУС» и «СИ-
РИУС-В».
214
Таблица 3.2
№ Объект Защищаемое присоединение Тип блоков Основные функции, особенности
1 2 3 4 5
1 Распределительная п/ст 110/35/10 кВ. Постоянный или пере- менный оперативный ток Ввод 6 (10), 35 кВ БМРЗ-ВВ-31 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по (7, {72; защита от потери питания, ЗОФ, 033 по 3 L/q на сигнал, АПВ, АВР (с пуском по С/, С/2, F), ВНР (100/220 В), УРОВ, ЛЗШ
Секционный выключатель 6(10), 35 кВ БМРЗ-СВ-32 3-ступ. МТЗ ЗОФ, 033 по 3 С70 на сигнал, АПВ, АВР, ВНР, УРОВ, ЛЗШ
Кабельная или воздушная линия (в том числе системная) 6(10), 35 кВ; электродвигатель 6(10) кВ, трансформатор 6 (10)/0,4 кВ БМРЗ-КЛ-ЗЗ 3-ступ, направленная МТЗ с возможностью задания разных направлений срабатывания для разных ступеней, с пуском по (/, {72, защита от потери питания, ЗОФ, ЗИН, на- правленная 033 по 3(70 и 370, АПВ, УРОВ, ЛЗШ, блокировка включения
2 Распределительная п/ст 110/35/10 кВ. Постоянный оператив- ный ток Комплект резервной защиты и автоматики трансформатора (основная защита — ДЗТ 21) БМРЗ-ТР-72 БМРЗ-ТП-КН 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, блокировка включения, 4- ступ. газовая защита, контроль уровня масла, перегрев, две программы уставок, РПН
Ввод 6 (10), 35 кВ БМРЗ-ВВ-34 БМРЗ-ВВ-84 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по U, U2, ЗОФ, 033 по 3 Uo на сигнал, АПВ, АВР (с пуском по U, U2\ ВНР (100 В), УРОВ, ЛЗШ, подключение двух счетчиков электро- энергии для технического учета
Секционный выключатель 6(10), 35 кВ БМРЗ-СВ-35 БМРЗ-СВ-85 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, 033 по ЗС/0 на сигнал, АПВ, АВР, ВНР, УРОВ, ЛЗШ
215
Продолжение табл. 3.2
216
1 2 3 4 5
2 Кабельная или воздушная линия 6(10), 35 кВ; электро- двигатель 6(10) кВ, транс- форматор 6 (10)/0,4 кВ БМРЗ-КЛ-36 БМРЗ-КЛ-51 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по U, U2', ЗОФ, направленная 033 по 3(/0 и 310, АПВ, УРОВ, ЛЗШ, подключение двух счет- чиков электроэнергии для технического учета
БМРЗ-ДА-74 Аналогичен КЛ-36, добавлены ЗМН и бло- кировка включения после ТО и 033
Ввод 6(10) кВ > БМРЗ-ВВ-41 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по U, U2; ЗОФ, 033 по 3Uq на сигнал, АВР (с пус- ком по U, U2), ВНР (380 В), УРОВ, блоки- ровка включения
Кабельная или воздушная линия, электродвигатель 6(10) кВ, трансформатор 6(10)/0,4 кВ БМРЗ-КЛ-42 З-ступ. направленная МТЗ с пуском по U, U2> ЗОФ, направленная 033 по 3Uq и 310, ЗМН, АПВ, УРОВ, ЛЗШ, блокировка вклю- чения
3 РУ 35 кВ с двойной системой шин. Постоянный оператив- ный ток Ввод 35 кВ БМРЗ-ВВ-77 3-ступ. МТЗ с пуском по U, U2; ЗОФ, 033, АВР шин (с пуском по L/, U2), ВНР (100/220 В), АПВ, УРОВ, ЛЗШ, две программы уставок
Системная линия 35 кВ с двойным питанием БМРЗ-СЛ-71 3-ступ. МТЗ с пуском по U, U2i ЗОФ, на- правленная 033, АВР шин, АВР линии, АПВ, УРОВ, ЛЗШ, спец, автоматика, две программы уставок
Тупиковая линия 35 кВ БМРЗ-КЛ-69 3-ступ. МТЗ с пуском по U, U2; ЗОФ, на- правленная 033, АПВ, УРОВ, ЛЗШ, две про- граммы уставок
Продолжение табл. 3.2
1 2 3 4 5
4 КРУ 6 (10) кВ нефте- перекачивающей стан- ции. Постоянный или пере- менный оперативный ток Ввод 6(10) кВ БМРЗ-ВВ-43-01 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по Ц U2; защита от потери питания, ЗОФ, 033 по 3Z70 на сигнал, АПВ, АВР (с пуском по U, U2, F), ВНР (100/220 В), УРОВ, ЛЗШ-Б, две программы уста- вок
Секционный выключатель 6(10) кВ БМРЗ-СВ-44-01 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, 033 по 3(/0 на сигнал, АПВ, АВР, ВНР, УРОВ, ЛЗШ-Б, две про- граммы уставок
Кабельная или воздушная линия, электродвигатель 6(10) кВ, трансформатор 6(10)/0,4 кВ, конденсаторная батарея БМРЗ-КЛ-46-01 3-ступ. МТЗ, защита от потери питания, направленная 033 по 3 и 3/0, ЗМН, ЗПН, ЗОФ, АПВ, УРОВ, ЛЗШ-Б, две программы уставок
Синхронный или асинхронный электродвигатель 6 (10) кВ БМРЗ-ДА-47-01 Дифференциальная токовая отсечка, 3-ступ. МТЗ, защита от потери питания, направлен- ная 033 по 3(/0 и 31о, ЗМН, АПВ, УРОВ, ЛЗШ-Б, две программы уставок
5 КРУ 35/6 (10) кВ неф- тяного месторождения. Постоянный или пере- менный оперативный ток Ввод 6 (10), 35 кВ БМРЗ-ВВ-86 3-ступ, направленная МТЗ с пуском по U, U2; ЗОФ, 033 по 3 Uq на сигнал, АПВ, АВР (с пуском по U, U& ВНР (100/220 В), УРОВ, ЛЗШ, две программы уставок, подключение двух счетчиков электроэнергии для технического учета
Секционный выключатель 6(10), 35 кВ БМРЗ-СВ-87 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, 033 по 3 £70 на сигнал, АПВ, АВР, ВНР, УРОВ, ЛЗШ, две програм- мы уставок
218
Продолжение табл. 3.2
1 2 3 4 5
5 Кабельная или воздушная линия (в том числе системная) 6(10), 35 кВ, электродвигатель 6(10) кВ, трансформатор 6 (10)/0,4 кВ БМРЗ-КЛ-39 3-ступ, направленная МТЗ с возможностью задания разных направлений срабатывания для разных ступеней, с пуском по U, U2, защита от потери питания, ЗОФ, ЗМН, на- правленная 033 по 3Uq и 3/о), АПВ, УРОВ, ЛЗШ, подключение двух счетчиков электро- энергии для технического учета
Резервная защита и автоматика трансформатора 35/6 (10) кВ БМРЗ-ТР-40 З-ступ. МТЗ, ЗОФ, УРОВ, две программы уставок
6 РУ СН 6 и 0,4 кВ Ле- нинградской и Смолен- ской АЭС. Постоянный оператив- ный ток (для 6 кВ), переменный оператив- ный ток (для 0,4 кВ) Рабочий, резервный ввод 6 кВ секции рабочего питания БМРЗ-ВВ-20 3-ступ. МТЗ с пуском по U, ЗОФ, 033 по 347О на сигнал, АВР (с пуском по t/, CZ2)> F, УРОВ, специальная автоматика
Рабочий, резервный, дизель- генераторный ввод 6 кВ сек- ции надежного питания БМРЗ-ВВ-21 3-ступ. МТЗ с пуском по U, U2i ЗОФ, 033 по 3 Uq на сигнал, АВР (с пуском по U, U2), F, УРОВ, специальная автоматика
Трансформатор 6/0,4 кВ БМРЗ-ВВ-22 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, направленная 033 по 3UQ, 370, УРОВ, специальная автоматика
Двигатели 6 кВ технологиче- ских насосов БМРЗ-ДА-24 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, направленная 033 по 3£7о, 3/0, АВР, УРОВ, специальная автоматика
Двигатели 0,4 кВ технологи- ческих насосов Б MP3- ДА-25, БМРЗ-ДА-48 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, направленная 033 по 3UQ, 3/0, АВР, УРОВ, специальная автоматика
Окончание табл. 3.2
1 2 3 4 5
7 РУ СН 6 кВ ТЭЦ. Постоянный оператив- ный ток Рабочий, резервный ввод 6 кВ БМРЗ-ВВ-63 3-ступ, направленная МТЗ с блокировкой при пусках двигателей, ЗОФ, 033 по 3£70, АВР (с пуском по U, U2), УРОВ, ЛЗШ, спе- циальная автоматика
Трансформатор 6/0,4 кВ БМРЗ-ТР-64 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, направленная 033 по 3£7О, З/о, УРОВ, ЛЗШ, специальная автома- тика
Двигатели 6 кВ технологиче- ских насосов БМРЗ-ДА-65 3-ступ. МТЗ, ЗОФ, направленная 033 по 3 Uq, 3/о, ЗМН, УРОВ, ЛЗШ, специальная автоматика
8 Пункт секционирова- ния Линия 6(10) кВ с двусторон- ним питанием БМРЗ-КЛ-ЗЗ Характеристики см. п. 1
9 КТП-0,4 кВ Рабочий ввод секции 0,4 кВ БМРЗ-ВВ-0,4 2-ступ. МТЗ с двумя уставками по времени на каждую ступень; блокировка МТЗ при пусках двигателя; дальнее резервирование отказов защиты и выключателя; токовая защита нулевой последовательности; специ- альная АВР (явная и неявная схемы), специ- альная автоматика
Аварийный ввод секции 0,4 кВ БМРЗ-АВ-0,4 Аналогичен БМРЗ-ВВ-0,4; дизель- генераторный или сетевой резерв
Секционный выключатель 0,4 кВ БМ ПА-0,4 Автоматика секционного выключателя (АВР)
219
Устройства «СИРИУС» обеспечивают трехступенчатую максималь-
ную токовую защиту от трех- и двухфазных КЗ, а также защиту от одно-
фазных замыканий на землю. Третья ступень МТЗ может иметь как не-
зависимую, так и одну из пяти зависимых характеристик.
Предусмотрена возможность отключения линии или сигнализации при
обрыве одного из фазных проводов по наличию тока обратной последо-
вательности Z2. Защита от 033 выполнена с использованием высших гар-
моник, что позволяет избежать зависимости от наличия компенсации
сети. В устройстве реализована функция резервирования отказа выклю-
чателя с выдачей сигнала отказа на выключатель ввода или секции. При
срабатывании РЗ на отключение линии независимое реле подает сигнал.
Устройства «СИРИУС-В» дополнительно обеспечивают возмож-
ность выполнения всех ступеней МТЗ направленными и позволяют осу-
ществлять комбинированный пуск по напряжению для МТЗ, логичес-
кую РЗ шин и технический учет электроэнергии. В обоих устройствах
имеются следующие функции: программируемое двухкратное АПВ, ус-
корение при включении, УРОВ, отработка сигналов АЧР с ЧАПВ, по-
стоянное самотестирование с выдачей сигнала неисправности контак-
тами реле «Отказ». В случае срабатывания МТЗ дополнительно опреде-
ляется расстояние до места повреждения и его вид.
Устройства устанавливаются в ячейках КРУ или КРУН и выдают сиг-
нал на отключение выключателя линии. Они подключаются к измери-
тельным трансформаторам тока (ТТ) фаз АиСс номинальным вторич-
ным током 5 А. Предусмотрено подключение ТТ фазы В (при его нали-
чии). При действии РЗ устройства «СИРИУС» и «СИРИУС-В» запо-
минают параметры срабатывания (расстояние до места металлического
КЗ, время отключения, значение и длительность тока КЗ, ток обратной
последовательности Z2, векторную диаграмму токов в момент аварий-
ного нарушения), а также причину отключения и вид повреждения.
В памяти устройств фиксируется информация о девяти последних от-
ключениях. При пропадании оперативного питания в течение 24 ч сохра-
няются работа часов и запоминаемые данные. Устройства работают в ре-
жиме «Контроль», позволяющем выводить на встроенный индикатор те-
кущие значения фазных токов и тока Z2, а также контролировать ход
встроенных часов. Функции РЗ при этом полностью сохраняются.
В устройстве используется алфавитно-цифровой индикатор, отобра-
жающий две строки по 16 символов, и клавиатура из четырех кнопок.
Имеются также две кнопки: ручного управления выключателем и сброса
220
аварийной сигнализации. Предусмотрен дистанционный ввод уставок и
снятие информации о срабатываниях защиты по линии связи от ПЭВМ.
На передней панели устройства «СИРИУС» (рис. 3.67, а) установ-
лен: переключатель «Ручное управление — Дистанционное управление»;
тумблеры включения «АЧР», вывода из работы АПВ, отключения дей-
ствия УРОВ, перевода действия газовой защиты с отключения на сиг-
нал. Габаритные размеры устройства «СИРИУС» и «СИРИУС-В» —
325x310x140 и 325x310x160 мм соответственно, масса — 8 кг. Оператив-
ное питание осуществляется от сети переменного или постоянного тока
напряжением 220 В.
Ввод заданных уставок (табл. 3.3) и настройка требуемой конфигу-
рации РЗ (ввод или вывод из работы одной или нескольких ступеней
МТЗ, защиты от 033, цикла АПВ и пр.) производится с клавиатуры ус-
тройства или по линии связи в соответствии с заводской инструкцией
по эксплуатации. После подключения цепей и при наличии достаточ-
ной нагрузки (более 10 % номинальной) рекомендуется проверять пра-
вильность включения устройства путем снятия параметров нагрузки в
режимах «Контроль» и «Пробный пуск».
Таблица 3.3
Название уставки Диапазон регу- лировки Название уставки Диапазон регули- ровки
Ток срабатывания защит, А: Время задержки срабатывания защит, с:
МТЗ-1, МТЗ-2 2,0—200 МТЗ-1 0,1—10
МТЗ-З 0,2—100 МТЗ-2 0,1—20
От обрыва фазы 0,1—20 МТЗ-З 0,2—99
От обрыва фазы 0,3-0,99
Комплекс «ОРИОН» предназначен для работы в качестве МТЗ воз-
душных и кабельных линий, трансформаторов, электродвигателей в се-
тях 6—35 кВ; может применяться также в сетях 0,4 кВ. Он изготавлива-
ется в трех исполнениях: «ОРИОН», «ОРИОН-А», «ОРИОН-М». Уст-
ройство «ОРИОН-А» отличается от «ОРИОН» наличием узла одно-
кратного АПВ, «ОРИОН-М» дополнительно позволяет осуществлять ло-
гическую защиту шин и имеет ряд новых функций.
Устройства выполняют следующие основные функции: токовой от-
сечки с независимой выдержкой времени, ступени МТЗ с независимой
выдержкой времени или с зависимой токовременнбй характеристикой,
защиты от обрыва фаз с независимой выдержкой времени.
221
NJ
NJ
nj a
Оперативное управление
Вкл Вкл Вкл Вкл RS232C
@> © ф © ИЕМ
УРОВ АЧР Газ. защ. АПВ
Устройство
микропроцессорной защиты
Уставки конфигурации
Тлз-1 0.25 с
«СИРИУС»
Выход <— —Ввод
Научно-
производственная
фирма «Радиус»
Сброс
© Пуск зашиты
Срабатывание защиты
© Пуск УРОВ
Аварийное отключение
(Q) Неисправность
АПВ сработало (^) АПВ блокировано
Сброс Ввод
Рис. 3.67. Передние панели устройств «Сириус» и «Сириус-В» (а), «Орион» и «Орион-А» (6), «Орион-М» (в)
Кроме того, фиксируются факты срабатывания каждой ступени РЗ,
а также действия АПВ с индикацией светодиодами-блинкерами. Сра-
батывание ступени сопровождается замыканием контактов соответству-
ющего сигнального реле. При снятии входного тока все реле отключа-
ются. Контакты силовых реле, применяемых в устройствах, позволяют
во время замыкания коммутировать ток до 5 А при напряжении посто-
янного тока 220 В.
Любую ступень можно переводить с режима отключения выключа-
теля на сигнал. Режим работы и ввод числовых параметров срабатыва-
ния каждой ступени РЗ задаются посредством движковых переключа-
телей.
Устройства «ОРИОН» питаются от источника переменного или по-
стоянного тока напряжением 220 В. По заказу выполняются устройства
на напряжение питания 110 В постоянного тока. Токовые цепи подклю-
чаются к ТТ линии фаз Ли С с номинальным вторичным током 5 А.
При отсутствии третьего ТТ ток фазы В рассчитывается по токам фаз А
и С. Наличие ТТ в фазе определяется уставкой режима; при наличии ТТ
в фазе В возможна обработка этого канала.
Устройства позволяют выводить на светодиодные индикаторы ин-
формацию о нормальном и пусковом режимах: срабатывание пусковых
органов и выдержка времени, состояние силовых выходных контактов
реле отключения и сработавших ступеней, вид РЗ с фиксацией до после-
дующего сброса кнопкой, срабатывании АПВ (устройство «ОРИОН-А»),
наличие оперативного питания. В табл. 3.4 приведены уставки РЗ.
Таблица 3.4
Название уставки Диапазон (шаг ввода)
Ток срабатывания защит МТЗ-1 и МТЗ-2, А 0,25—64 (0,25)
Время выдержки МТЗ-1 независимой МТЗ-2, с 0,05—6,4
Ток срабатывания токовой отсечки, А 0,5—128 (0,5)
Время выдержки токовой отсечки, с 0,025—6,4 (0,025)
Порог срабатывания защиты от обрыва фазы, А 0,1—1,6 (0,1)
Время выдержки защиты от обрыва фазы, с 1-16(1)
Время задержки АПВ (только для устройства «ОРИ- ОН-А»), с 0,1—12,8 (0,1)
Устройства обеспечивают возможность программного задания тре-
буемой конфигурации, в том числе при наличии или отсутствии транс-
223
форматора тока в фазе В, выбор действия ступеней РЗ на отключение
выключателя или только на реле сигнализации. Настройка конфигура-
ции осуществляется движковыми переключателями. Средняя относи-
тельная аппаратная погрешность измерения фазных токов не превышает
5 % при вторичном токе на входных зажимах устройства не менее 2 А
Погрешность отработки независимых выдержек времени составляет не
более 2 % значения уставки, для зависимых характеристик — не более
5 %. В погрешность не входит время задержки срабатывания выходного
реле, равное 20 мс.
В устройстве «ОРИОН-А» дополнительно предусмотрен узел одно-
кратного АПВ, срабатывающий при отключении линий от МТЗ. Диа-
пазон ввода уставок с помощью движкового переключателя — от 0,1 до
12,8 с с шагом 0,1 с. Предусмотрено отключение АПВ, имеется сигналь-
ный светодиод «АПВ сработало». Устройство АПВ блокируется при от-
ключении выключателя присоединения от МТЗ в первые 30 с после
включения.
Все устройства выполнены в металлическом ящике, внутри которо-
го установлены блок питания с бестрансформаторным входом, плата
микропроцессорного контроллера, входные ТТ, выходные реле отклю-
чения и сигнализации, колодки зажимов и разъем для подключения
внешних цепей.
На передней панели устройства «ОРИОН-А» (рис. 3.67, б) установ-
лены: движковые переключатели для ввода режима работы, значений
тока срабатывания и временных выдержек ступеней РЗ; движковый пе-
реключатель на восемь переключателей ввода уставок АПВ и светодиод
индикации срабатывания АПВ (в модификации «ОРИОН-М»); две
кнопки для подтверждения ввода уставок и сброса светодиодов сигна-
лизации сработавших ступеней РЗ. Габаритные размеры устройств
300x250x150 мм, масса — не более 8 кг.
Устройства оснащены встроенным автоматическим тестовым кон-
троллером аппаратных средств, действующим после любого появления
напряжения питания и постоянно во время работы. При включении пи-
тания происходит полная проверка программно-доступных узлов уст-
ройства, а также процессора, ПЗУ, ОЗУ, входных и выходных дискрет-
ных портов. Во время отсутствия оперативного питания выдается сигнал
размыкающими контактами реле «Отказ» и устройство блокируется. В
ходе работы (один раз в секунду) процессор перепрограммирует «сторо-
жевой» таймер, который (если его периодически не сбрасывать) вызы-
224
вает аппаратный сброс процессора и запускает всю программу в том
числе начальное полное самотестирование. Таким образом, происходит
постоянный контроль как отказов, так и случайных сбоев устройства с
автоматическим его перезапуском.
Несколько раз в секунду считывается состояние всех движковых пе-
реключателей и сравнивается с данными, записанными в память при
включении устройства. В случае их несоответствия происходит индика-
ция несанкционированного изменения уставок — мигание светодиода
«Работа». При этом продолжают отрабатываться старые уставки. Для
ввода новых уставок в работу необходимо нажать кнопку «Ввод» на пе-
редней панели устройства или переключить оперативное питание.
В случае обнаружения любой неисправности в устройстве замыка-
ются контакты реле «Отказ». При этом все светодиоды на панели уп-
равления включены. Индикация вида обнаруженной неисправности
производится на внутренних светодиодах контроллера. Расшифровка
неисправностей приведена в заводской инструкции по эксплуатации.
Настройка числовых параметров РЗ осуществляется с помощью чис-
ловых переключателей устройства, задающих требуемые значения то-
ков срабатывания и временных выдержек для всех ступеней и видов РЗ.
Набором требуемой комбинации включенных или отключенных движ-
ков задается любое требуемое значение в допустимом диапазоне.
Уставки не зависят от наличия питающего напряжения и сохраня-
ются как угодно долго. Ввод и изменение уставок выполняется незави-
симо от подключения питания и остальных цепей. Для проверки необ-
ходимы измерительные установки У5053, «УРАН-1», «НЕПТУН» или
другие подобные им. По окончании ввода уставок рекомендуется их
проверка для исключения ошибок.
Устройство «ОРИОН-М» предназначено для применения на под-
станциях и электростанциях с постоянным оперативным током в каче-
стве МТЗ кабельных и воздушных линий, трансформаторов, электро-
двигателей в сетях напряжением 6—35 кВ с изолированной или ком-
пенсированной нейтралью. Оно подключается к ТТ с номинальным
вторичным током 5 А. В устройстве предусмотрено использование не-
скольких видов зависимых характеристик второй ступени МТЗ с допол-
нительной возможностью задания их числовых параметров для согла-
сования с другими защитами. Любую ступень РЗ можно переводить из
режима отключения в режим действия на сигнализацию. При этом вме-
сто отключения срабатывает сигнальное реле «Внешняя неисправность»,
225
а индикация сработавшей ступени РЗ осуществляется в мигающем ре-
жиме. Ускорение действия ступени МТЗ переводит ступень в режим с
независимой характеристикой и вводится автоматически на время 1 с
по приходу фронта внешнего сигнала. Время срабатывания ускоренной
ступени постоянно и равно 0,3 с. Наличие ТТ в фазе или его отсутствие
определяется уставкой режима.
Режим работы и числовые параметры срабатывания каждой ступени
РЗ вводятся посредством движковых переключателей, установленных на
передней панели устройства (рис, 3.67, в). Предусмотрен режим индика-
ции несанкционированного изменения уставок. В случае изменения
положения движков без нажатия кнопки «Ввод» светодиод «Работа» начнет
мигать, а также будет выдан сигнал контактами реле «Внешняя неисп-
равность».
Устройство выполняет следующие основные функции: токовой от-
сечки с независимой выдержкой времени, ступени МТЗ с независимой
выдержкой времени или зависимой токовременной характеристикой,
РЗ от обрыва фаз по току с независимой выдержкой времени, автома-
тического ввода ускорения второй ступени МТЗ при включении, управ-
ления выключателем с блокировкой от «прыгания», отключения вык-
лючателя от других РЗ, организации логической РЗ шин, ОАПВ, посто-
янного контроля состояния управляющих обмоток выключателя,
сопряжения устройства со стандартной телемеханикой, светодиодной
индикации сработавших ступеней РЗА, постоянной автоматической са-
мопроверки основных узлов схемы.
3.8. Выходные органы защит
Выходной орган является связующим звеном между логической ча-
стью релейной защиты и катушкой отключения выключателя защища-
емого элемента. Логическая часть этого органа рассчитана на малые токи
и может коммутировать лишь небольшие мощности, а для катушки от-
ключения требуется напряжение 110 или 220 В и ток 5—10 А.
В релейной защите, выполненной на контактных элементах, в каче-
стве выходных органов используют электромагнитные промежуточные
реле РЭН-17, РКС-3, ТКЕ и др. В релейной защите, выполненной на
бесконтактных элементах, выходной орган содержит тиристор. Тирис-
торный выходной орган имеет более высокое быстродействие, однако
он очень чувствителен к помехам, действующим на управляющий элек-
трод, и к помехам в цепи питания катушки отключения.
226
В цепях оперативного питания 110—220 В могут возникать высоко-
частотные коммутационные помехи, огибающая которых имеет вид
кратковременных выбросов (пиков) напряжения с крутыми фронтами,
достигающих нескольких киловольт. Эти выбросы имеют малую дли-
тельность (от единиц до нескольких десятков микросекунд), а их пачки —
от 1 до 2 мс. Электромеханические реле реагировать на них нс успевают.
Однако такие выбросы могут вызвать самопроизвольное отпирание ти-
ристоров. Поэтому в тиристорном выходном органе необходимо пре-
дусматривать специальные меры по повышению помехоустойчивости.
В выходном тиристорном органе (рис. 3.68), применяемом в аппара-
туре автоматики и релейной защиты электрифицированных железных
дорог [27], транзистор VT является оконечным в логической части защи-
ты. Нормально он заперт, а конденсатор С1 заряжен и напряжение на
нем равно напряжению питания Un логической части. При срабатыва-
нии логической части защиты транзистор Т открывается и конденсатор
С1 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора TL.
Последний служит для гальванической развязки цепей. Импульс на-
пряжения, возникающий на вторичных обмотках этого трансформатора,
поступает на управляющие электроды последовательно включенных ти-
ристоров VS 1 и VS2, которые открываются и подключают катушку элект-
ромагнита отключения YAT выключателя к источнику оперативного пи-
тания. Запирание тиристоров производится путем размыкания вспомо-
гательных контактов SQ масляного выключателя после отключения
последнего.
Последовательное соединение тиристоров принято для повышения
надежности, однако опыт эксплуатации показал, что в этом нет необхо-
димости.
Рис. 3.68. Схема выходного органа «Откл» с трансформаторной связью
227
Конденсаторы С2—С5 служат для повышения устойчивости к крат-
ковременным помехам, которые могут поступать через паразитные ем-
кости между обмотками трансформатора на управляющие электроды.
Для защиты тиристоров от помех, возникающих в цепях оперативного
питания, служит П-образный фильтр, состоящий из конденсаторов С6,
С7 и дросселя L.
Более высокой помехоустойчивостью обладают выходные органы, в
которых гальваническая развязка осуществляется без трансформатора,
например, при помощи оптронов или герконов (рис. 3.69) [28]. Транзи-
стор VT2 выходного органа с герконом (рис. 3.69, а) является оконеч-
ным выходного усилителя ВУ логической части защиты. Тиристор VS
управляется специальным датчиком тока. Транзисторы VT1 и VT2 вклю-
чены последовательно с катушкой герконового реле KL1. Реле сраба-
Рис. 3.69. Схемы выходного органа «Откл» с герконом (а) и оптронной парой (б)
228
тывает только при одновременном открытии транзисторов VT1 и VT2.
Это предотвращает ложную работу выходного органа при токах защища-
емого объекта, величины которых меньше уставки датчика тока. Контак-
ты реле KL1 включены в управляющую цепь тиристора VS. Стабилитро-
ны VD2 и VD3 ограничивают напряжение на контактах геркона. Защита
от помех осуществляется цепочкой R4, С2 и фильтром СЗ, С4, L.
В другом варианте выходного органа (рис. 3.69, б) на выходе логичес-
кой части защиты включен светодиод, который совместно с фоторезис-
тором образует оптронную пару VI. Фоторезистор включен в цепь управ-
ления маломощного тиристора VS1, который выполняет роль усилителя.
Стабилитроны VD1 и VD2 ограничивают напряжение питания этого
тиристора и фоторсзистора. При подаче логической частью защиты ко-
манды на отключение светодиод оптронной пары VI освещает фоторе-
зистор, сопротивление последнего уменьшается и по управляющей цепи
VS1 протекает ток, достаточный для его включения. При этом в управ-
ляющей цепи выходного тиристора VS2 появляется ток и этот тиристор
отпирается, подключая электромагнит отключения YAT выключателя
к источнику оперативного питания.
В панелях дистанционной защиты ПДЭ-2001 [82] используется еще
одна разновидность тиристорного выходного органа, упрощенная схе-
ма которого приведена на рис. 3.70. В исходном состоянии, сразу после
подключения выходного органа к напряжению оперативного питания
Un (220 В), конденсаторы Cl, С2, СЗ быстро заряжаются через резисто-
ры Rl, R4 сравнительно небольшого сопротивления и цепь катушек от-
ключения YAT приводов соответствующих фаз выключателя (предус-
мотрена возможность использования одного выходного органа при на-
Рис. 3.70. Выходной орган панели ПДЭ-2001
229
личии на каждой фазе выключателя своего привода). Тиристор VS зак-
рыт, поскольку его управляющий р-п переход шунтирован низкоомным
резистором R2.
При срабатывании релейной защиты ее исполнительный орган, вы-
полненный с помощью герконового реле KL (например типа РПГ-5),
приводит в действие выходной орган. Контакты KL замыкаются, и кон-
денсатор СЗ разряжается через резистор R3 на управляющий электрод
тиристора VS. Тиристор открывается и подает напряжение на катушки
отключения выключателя. После разряда конденсатора СЗ открывает-
ся диод VD3 и конденсатор С2 разряжается через резистор R4 на от-
крывшийся тиристор VS. Это улучшает условия включения тиристора
при работе на индуктивную нагрузку. Для повышения помехоустойчи-
вости выходного органа служат элементы Cl, Rl, R2.
Общим недостатком описанных выше органов является то, что пос-
ле отключения выключателя они не могут вернуться в исходное состоя-
ние. Для запирания тиристора в этих органах необходимо разорвать цепь
питания катушек отключения YAT, что осуществляется вспомогатель-
ным контактом SQ высоковольтного выключателя. Если же по каким-
либо причинам (например из-за заваривания) вспомогательный кон-
такт SQ не размыкается при отключении высоковольтного выключате-
ля, то тиристор выходного органа остается открытым и катушка YAT
сгорает, поскольку она не рассчитана на длительное протекание тока.
Эффективную защиту тиристорного выходного органа от помех и
самозапирание можно выполнить без громоздких фильтров, используя
инерционные свойства привода выключателя. Рассмотрим изменение
тока /со в катушке электромагнита отключения YAT привода выключа-
теля, шунтированной цепочкой из обратно-включенного диода, соеди-
ненного последовательно с резистором (рис. 3.71, а). В момент t = О
катушка подключается к источнику оперативного постоянного тока
Un (110—220 В). Нарастание тока происходит по кривой 7 (рис. 3.71, б).
Подвижный сердечник электромагнита приходит в движение не сразу,
а только через время трогания Величина этого времени обусловлена
инерционными свойствами и для электромагнитных приводов выклю-
чателей равна 16—20 мс. По истечении времени трогания сердечник при-
ходит в движение и освобождает пружину, с помощью которой осуще-
ствляется размыкание контактов выключателя. Промежуток времени Zcp
от момента подключения катушки электромагнита YAT к источнику опе-
ративного тока до момента начала расхождения контактов называется
230
a
б
Рис. 3.71. Изменение тока в катушке отключения привода выключателя
временем срабатывания. По истечении времени включенного состояния
Гвк цепь катушки отключения электромагнита YAT разрывается вспо-
могательными контактами SQ выключателя и ток спадает до нуля.
Если произвести размыкание цепи катушки отключения через про-
межуток времени /к < то выключатель не отключится (так как сер-
дечник электромагнита в движение не придет), спадание тока будет про-
исходить по кривой 2.
Представим себе, что тиристор выходного органа открылся и под-
ключил катушку отключения к источнику оперативного тока. Через вре-
мя ZK, которое назовем временем контроля, попытаемся специальным
кратковременным запирающим сигналом выключить тиристор. Если
открытие тиристора было самопроизвольным (от помехи), то запираю-
щий сигнал его выключит при условии, что длительность пачки помех
меньше времени tK и к моменту появления запирающего сигнала поме-
ха уже исчезла. Выключатель отключиться не успеет. Если же открытие
тиристора произошло от действия защиты, то на его управляющий пе-
реход все время будет поступать отпирающий сигнал и кратковремен-
ный запирающий импульс выключить его не сможет. Тиристор будет
открыт до тех пор, пока не отключится выключатель.
Выходной самозапираемый орган, помехоустойчивость которого
обеспечивается благодаря инерционным свойствам электромагнита от-
ключения привода выключателя (рис. 3.72, а), содержит два тиристора
VS1 и VS2, между катодами которых включен конденсатор С. Тиристор
VS1 является основным. Он управляется контактом герконового реле
231
a
б
Рис. 3.72. Схемы помехоустойчивых самозапираемых выходных органов
KL, катушка которого включена на выходе логической части защиты.
Герконовое реле может быть заменено оптроном. Тиристор VS1 выпол-
няет роль ключа, который подключает катушку электромагнита отклю-
чения YAT привода выключателя к источнику постоянного оператив-
ного тока с напряжением Un.
В исходном состоянии контакты KL разомкнуты, тиристор VS1 за-
перт, вспомогательные контакты SQ выключателя замкнуты, транзис-
тор VT заперт. В момент подключения к напряжению оперативного пи-
тания вспомогательный тиристор VS2 открывается и конденсатор С
быстро заряжается через резистор R4 с малым сопротивлением и ка-
тушку отключения YAT. По окончании заряда конденсатора С тиристор
VS2 также запирается. Потенциал правой обкладки конденсатора С ра-
вен потенциалу шины + (7П, а потенциал левой обкладки — потенциалу
шины— Uw
Если тиристор VS1 самопроизвольно открывается от помехи (кон-
такты KL разомкнуты), то открывается и транзистор VT Потенциал ле-
вой обкладки конденсатора С становится равным + Un. Начинается пе-
резаряд конденсатора по цепи +{7П, VS1, R4, R8, VT, — Un с постоянной
времени т = С (R4 + R8). Поскольку в схеме принято R4 « R8, то с
влиянием резистора R4 на постоянную времени можно не считаться.
Потенциал правой обкладки конденсатора С, равный в режиме ожида-
ния + {7П, начинает понижаться и стремится к — Un. Когда разность по-
тенциалов между шиной +1/п и правой обкладкой конденсатора С дос-
232
тигнет уровня пробоя стабилитрона VD1 — открывается вспомогатель-
ный тиристор VS2. Конденсатор С разряжается через два открытых ти-
ристора VS1 и VS2, причем ток разряда конденсатора С направлен от
катода тиристора VS1 к его аноду, т.е. навстречу току нагрузки. В мо-
мент, когда разность этих токов станет меньше тока удержания тирис-
тора VS1, он закроется и вся схема приходит в исходное состояние.
В процессе перезаряда конденсатора С напряжение на его обкладках
изменяется по закону:
М=С72К'7', (3.63)
где С7| — начальное значение напряжения на конденсаторе при t = 0;
U2 — конечное значение напряжения на конденсаторе при t = <*>;
t — текущее время.
Начальное напряжение на конденсаторе С при закрытом тиристоре
VS1 равно Uy — + Un. Конечное напряжение на этом конденсаторе по за-
вершении процесса перезаряда (если его не прерывать) равно (72 = — Un-
Подставив эти значения в (3.63) и решив это выражение относительно
времени г, получим
/ = Tln-2_. (3.64)
и
Интервал времени t == tK от момента самопроизвольного открытия
тиристора VS1 до его принудительного закрытия определяется напря-
жением ис = — UK на конденсаторе С, при котором пробивается стаби-
литрон VD1 и открывается тиристор VS2. Подставив в (3.64) ис = — UK,
получим
t =т1п—. (3.65)
К и
п
Параметры R4, R8, С и UK подбираются таким образом, чтобы время
/к было от 0,1 до 0,12 с.
При срабатывании релейной защиты замыкается контакт KL и ти-
ристор VS1 открывается. Он будет открыт до тех пор, пока контакт KL
233
замкнут. В то же время конденсатор С в течение всего времени открыто-
го состояния тиристора VS1 находится в автоколебательном режиме за-
ряда-разряда с периодом tK. Запирание тиристора VS1 нс происходит,
поскольку при замкнутом контакте KL через управляющий электрод
тиристора проходит ток отпирания. После отключения выключателя
защита возвращается в исходное состояние и контакт KL размыкается.
Если к этому времени вспомогательный контакт SQ выключателя поче-
му-либо не отключился, то тиристор VS1 запрется при очередном раз-
ряде конденсатора С.
Питание выходного органа можно осуществлять выпрямленным не-
сглаженным током (рис. 3.72, б). Катушка электромагнита отключения
YAT привода выключателя включена последовательно с тиристором VS1.
При самопроизвольном включении этого тиристора конденсатор С2
подзаряжается через диод VD3, а в ту часть полупериода, когда ток в
катушке YAT начинает спадать (из-за пульсаций оперативного тока),
ЭДС самоиндукции этой катушки открывает диод VD4 и тиристор VS2.
Конденсатор С2 разряжается на катушку YAT, что приводит к запира-
нию тиристора VS1. Время процесса от момента открытия VS1 до мо-
мента его запирания существенно меньше, чем время трогания привода
выключателя, поэтому последний отключиться не успевает.
При устойчивом срабатывании релейной защиты замыкается кон-
такт KL герконового реле, катушка которого присоединена к выходу
логической части релейной защиты. Конденсатор С1 разряжается на
управляющий электрод тиристора VS1, последний открывается и под-
ключает катушку YAT к источнику оперативного тока. Пока контакт KL
замкнут, тиристор VS1 закрыться не может, так как по управляющему
электроду последнего протекает ток через диоды VD1, VD2 и резистор
R1. Вместо реле KL и здесь можно использовать оптрон.
Глава 4. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
4.1. Аварийные и ненормальные режимы сетей
Короткое замыкание между всеми тремя фазами трехфазной линии
носит название трехфазного. Если при этом происходит соединение фаз
с землей, то замыкание называется трехфазным на землю. Такие замы-
кания относительно редки и составляют около 5 % всех случаев замы-
кания. Двухфазные замыкания и двухфазные замыкания на землю со-
ставляют около 30 % повреждений. Наибольшее число всех КЗ (около
65 %) составляют однофазные замыкания на землю. На землю могут
замкнуться в разных местах и две фазы — так называемое двойное за-
мыкание на землю.
Сети напряжением 110 кВ и выше работают с заземленной нейтра-
лью. В сетях напряжением 2—35 кВ нейтраль либо изолирована, либо
заземлена через дугогасящую катушку или резистор. В электроустанов-
ках с напряжением до 1 кВ используются сети как с глухозаземленной,
так и с изолированной нейтралью. Если нейтраль системы заземлена,
то замыкание одной фазы на землю (33) является однофазным корот-
ким замыканием и сопровождается большим током. Если же нейтраль
изолирована либо заземлена через дугогасящую катушку или резистор,
то замыкание одной фазы на землю сопровождается малыми токами.
Условия защиты в сетях с большими и малыми токами замыкания на
землю существенно различны.
К ненормальным режимам относятся появление сверхтоков, сниже-
ние напряжения и частоты, качания в энергосистеме. Сверхтоки возни-
кают при внешних КЗ или перегрузке линии. Длительное протекание
их оказывает неблагоприятное термическое воздействие на провода ли-
нии, обмотки и изоляцию трансформаторов, поэтому защита должна
своевременно отключать поврежденные или перегруженные участки.
Снижение напряжения происходит вследствие коротких замыканий, а
также при некоторых тяжелых режимах работы, например, при самоза-
пуске большого числа неотключенных двигателей после исчезновения
235
и последующего восстановления питания. Длительное снижение напря-
жения недопустимо для ряда технологических процессов.
При недопустимом увеличении потребляемой мощности частота f
в энергосистеме начинает снижаться, что ведет к уменьшению частоты
вращения электродвигателей, а также к нарушению технологических
процессов. Если частота f станет ниже 48 Гц, то работа энергосистемы
расстраивается. Для восстановления баланса мощности устройство ав-
томатической частотной разгрузки (АЧР) отключает ряд наименее от-
ветственных потребителей.
В электрических сетях, осуществляющих связь между энергосисте-
мами, возможно возникновение качаний (низкочастотные колебания
действующих значений тока и напряжения), сопровождающихся изме-
нением направления потока мощности. Причиной качаний могут яв-
ляться КЗ; качания могут вызвать неверное действие защит.
4.2. Защиты по значению тока
Защита плавкими предохранителями. В электрических сетях и элект-
роустановках напряжением до 1000 В для защиты от коротких замыка-
ний используются простейшие защитные элементы — плавкие предохра-
нители. В их корпусе размещается калиброванная плавкая вставка, по
которой протекает ток защищаемой цепи. При коротком замыкании,
когда ток во много раз превышает ток нормальной нагрузки, плавкая
вставка разогревается до плавления, после чего она разрывает цепь тока.
Предохранители серии ПР2 имеют корпус из толстостенной фибро-
вой трубки, на концах которой укреплены латунные втулки. На втулки
надеты колпачки, которыми закрепляется плавкая вставка, расположен-
ная внутри трубки и выполненная из листового цинка. При расплавлении
вставки образуется электрическая дуга с высокой температурой. При этом
фибровая трубка начинает интенсивно выделять газы, которые создают
внутри трубки большое давление и способствуют гашению дуги. Номиналь-
ные токи плавких вставок предохранителей этого типа 6—60 А; предель-
ные значения отключаемого тока для разных напряжений 0,8—8 кА.
Плавкие предохранители с наполнителем насыпного типа способны
отключать более высокие значения тока. Такие предохранители, напри-
мер серии ПН2, состоят из фарфорового патрона, заполненного квар-
цевым песком. Плавкая вставка выполнена в виде узких медных лент с
отверстиями, причем в середине каждой ленты имеется оловянный ра-
236
створитель, ускоряющий процесс ее расплавления. Вся плавкая вставка
находится в песке. Номинальные токи плавкой вставки 15—1000 А, от-
ключающая способность достигает 30— 100 кА.
Обычно плавкая вставка не расплавляется в течение 1 ч и более при
токах, превышающих ее номинальный в 1,3—1,5 раза. При токах, пре-
вышающих номинальный ток плавкой вставки 1,6— 2 раз, она пла-
вится за время менее 1 ч. Защитная характеристика предохранителя —
это зависимость времени расплавления плавкой вставки с номи-
нальным током ZBC ном от протекающего по нему тока L Пример за-
щитных характеристик приведен на рис. 4.1. Для одинаковых значе-
ний /вс ном у разных вставок возможен разброс характеристик по вре-
мени от 25 до 50 %.
Выбор номинального тока плавкой вставки /вс ном осуществляется с
учетом особенностей защищаемого объекта. Однако во всех случаях дол-
жно удовлетворяться условие:
вс.ном
раб.max5
(4.1)
где /раб.щах ““ максимальный рабочий ток.
237
Для ответвлений с одиночным асинхронным двигателем должно со-
блюдаться условие
пуск
ВС.НОМ
(4.2)
где /пуск — пусковой ток электродвигателя;
к — коэффициент снижения, учитывающий, что при существующих крат-
ностях пускового тока и его длительности плавкая вставка не перегорает.
Для электродвигателей с легким пуском (длительностью от 2 до 5 с)
коэффициент к принимают равным 2,5; при тяжелых (длительностью около
10 с) и частых пусках (более 15 пусков в час), а также для особо ответствен-
ных электродвигателей — от 1,6 до 2. Для двигателей с фазным ротором при-
нимают к равным от 0,8 до 1. При защите магистрали, питающей смешан-
ную или силовую нагрузку, условие выбора плавкой вставки имеет вид
где /раб max i — максимальный рабочий ток /-го приемника электроэнергии;
Атуск max —' пусковой ток наиболее мощного электродвигателя;
п — число приемников электроэнергии на магистрали;
к — коэффициент, имеющий те же значения, что и в формуле (4.2).
Если в магистрали имеется несколько предохранителей, установлен-
ных в разных местах последовательно, то плавкие вставки надо выби-
рать с учетом селективности. Для однотипных предохранителей селек-
тивность соблюдается, если их плавкие вставки различаются на две и
более ступеней шкалы номинальных токов. Для разнотипных предохра-
нителей селективность определяют сопоставлением защитных характе-
ристик плавких вставок с учетом разброса времени расплавления вста-
вок. Селективность соблюдается, если при одинаковых токах время
плавления вставки ближнего к источнику питания предохранителя и
время Г2 плавления вставки следующего предохранителя отвечают ус-
ловию:
(4.4)
где ку — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,7 при 25 %-ном раз-
бросе и 3 — при 50 %-ном разбросе защитных характеристик.
238
Чувствительность предохранителя к коротким замыканиям прове-
ряется по условию:
— к. min
ч j
вс .ном
(4.5)
где /к — наименьшее значение тока короткого замыкания;
кч — коэффициент чувствительности.
В установках с глухозаземленной нейтралью в большинстве случаев
за ток IK min принимается ток однофазного КЗ, в установках с изолиро-
ванной нейтралью — ток двухфазного КЗ. Защита предохранителя от-
вечает требованиям чувствительности, если кч > 3 для невзрывоопасной
и £ч > 4 — для взрывоопасной среды. Более подробные условия изложе-
ны в [38, 83].
В сетях низкого напряжения вместо предохранителей все большее
распространение получают автоматические выключатели. Они снабжа-
ются либо тепловыми, либо электромагнитными расцепителями, либо их
комбинацией. Тепловые элементы осуществляют защиту от перегрузки
(то, что не могут обеспечить предохранители), а электромагнитные — от
коротких замыканий.
В установках высокого напряжения (свыше 1 кВ) предохранители
применяют для защиты силовых трансформаторов небольшой мощно-
сти, распределительных тупиковых сетей, высоковольтных электродви-
гателей, батарей конденсаторов, измерительных трансформаторов напря-
жения. В распределительных сетях 6—10 кВ используются предохрани-
тели типа ПКТ (прежнее название ПК), в которых патрон с плавкой
вставкой заполнен кварцевым песком. В сетях 35—220 кВ применяют
газогенерирующие предохранители типа ПВТ (прежнее название ПСН).
Выбор предохранителей для сетей, защищаемых от коротких замы-
каний и не защищаемых от перегрузки, осуществляется по формуле (4.1)
при условии, что отношение 4с.ном/^раб.тах не превышает 3. При необ-
ходимости защищать не только от КЗ, но и от перегрузки (протяженные
коммунальные, сельские, силовые сети и др.) необходимо соблюдать
условие /вс ном = (0,8— 1)/^, где — длительно допустимый ток защи-
щаемого объекта. Особенности методик выбора предохранителей для
силовых трансформаторов приведены в [24, 84].
К недостаткам предохранителей относятся: старение плавких вста-
вок со временем и изменение их защитных характеристик; при одно-
239
фазных КЗ сгорает предохранитель только в одной фазе, что может при-
вести к опасному режиму для электродвигателей; плавкая вставка —
элемент однократного действия, и после срабатывания предохранителя
ее надо заменять; плавкие вставки не защищают электродвигатели от
перегрузки; при большом числе ответвлений магистрали сложно обес-
печить селективность. По этим причинам в сетях высокого напряжения
предохранители имеют ограниченное применение.
Максимальная токовая защита. На рис. 4.2, а изображена так назы-
ваемая совмещенная схема максимальной токовой защиты, в которой
видна непосредственная связь между воспринимающими органами реле
или электромагнитными механизмами (изображенными в виде прямо-
угольников) и принадлежащими этим реле или механизмам контакта-
ми. Эта связь на рис. 4.2, а показана пунктиром. На совмещенной схеме
кроме реле, как правило, изображают схему первичных соединений за-
щищаемого присоединения.
Реле тока KAI, КА2, КАЗ соединены звездой и подключены ко вто-
ричным обмоткам трансформаторов тока соответственно TAI, ТА2, ТАЗ,
также соединенным в звезду. Контакты реле KAI, КА2, КАЗ соединены
параллельно, поэтому при замыкании любого из них плюс оперативно-
го напряжения питания попадает на реле времени КТ и оно включается
в работу. По истечении заданной выдержки времени замыкается кон-
такт реле КТ и плюс оперативного напряжения питания попадает на
промежуточное реле KL. Реле срабатывает, его контакты замыкаются и
плюс оперативного напряжения питания попадает (через указательное
реле КН и замкнутый вспомогательный контакт SQ выключателя Q) на
катушку YAT соленоида электромагнитного механизма (привода) отклю-
чения выключателя Q. Выключатель отключается, и его вспомогатель-
ный контакт SQ размыкается, разрывая цепь соленоида YAT (большая
индуктивная нагрузка) и освобождая от этой тяжелой операции, сопро-
вождающейся достаточно мощной дугой между расходящимися контак-
тами, менее мощные контакты реле KL.
При малом числе реле совмещенные схемы достаточно просты и на-
глядны, однако, с увеличением числа реле и контактов они становятся
громоздкими и неудобочитаемыми. В этих случаях прибегают к разне-
сенной схеме (рис. 4.2, б), в которой измерительные трансформаторы,
воспринимающие органы (для электромагнитных — это обмотки) реле
и их контакты расположены в разных местах. Взаимная принадлежность
воспринимающих органов и контактов реле идентифицируется соот-
ветствующими буквенными и цифровыми обозначениями.
240
a
защит
в г
Рис. 4.2. Трехфазная максимальная токовая защита линии:
а — совмещенная; б — разнесенная; в ~ функциональная; г — структурная
Совмещенная и разнесенная схемы относятся к принципиальным
или полным схемам. На этих схемах изображают все электрические эле-
менты и устройства, необходимые для осуществления и контроля за-
данных электрических процессов. В тех случаях, когда достаточно гра-
фически проиллюстрировать лишь последовательность функциональ-
241
ных процессов, используют более простые схемы, называемыми функ-
циональными (рис. 4.2, в). Функциональные части и связи между ними
показывают в виде условных графических изображений, установленных
в стандартах ЕСКД [85]. Отдельные функциональные части на схеме
допускается изображать в виде прямоугольников. Структурная схема
(рис. 4.2, г) изображает принцип работы в самом общем виде (обозначе-
ние АК — устройство защиты). На структурной схеме изображают все
основные функциональные части (источники информации — трансфор-
маторы тока TAI, ТА2, ТАЗ, устройство защиты АК и объект воздей-
ствия — соленоид отключения YAT привода выключателя), а также ос-
новные взаимосвязи между ними.
Максимальная токовая защита (МТЗ) реагирует на увеличение тока
при КЗ или перегрузке. Если несколько последовательных участков сети
оборудованы самостоятельными защитами этого типа, то селективность
их действия обеспечивается с помощью выдержки времени. Таким об-
разом, для МТЗ на каждом из присоединений необходимо выбирать две
уставки: уставку по току срабатывания, выставляемую на реле тока КА1,
КА2, КАЗ, и уставку выдержки времени, выставляемую на реле време-
ни КТ (см. рис. 4.2).
Принцип обеспечения селективности защиты последовательных уча-
стков поясним на примере сети с односторонним питанием (рис. 4.3, а).
При коротком замыкании в точке КЗ ток повреждения проходит от ис-
точника по всем участкам, вызывая срабатывание токовых реле за-
щит АК1, АК2, АКЗ, выполненных по схеме рис. 4.2. Однако сработать
должна только защита АКЗ. При КЗ в точке К2 должна сработать толь-
ко защита АК2 и т.д. Такая селективность достигается специальным вы-
бором уставки реле времени на каждой из защит АК1, АК2, АКЗ по сту-
пенчатому принципу. Защита АКЗ имеет наименьшую выдержку време-
ни, защита АК2 — более длительную, защита АК1 — наибольшую.
Рассмотрим график зависимости времени срабатывания t защит от
места короткого замыкания (рис. 4.3, б). Защита АК1 имеет время дей-
ствия /р защита АК2 — время действия t2 и т.д. Выдержка времени оп-
ределяется реле времени, она не зависит от величины тока короткого
замыкания. Поэтому такая защита называется защитой с независимой
выдержкой времени. Как следует из рис. 4.3, б:
tr=t2+M, t2=t3+M, (4.6)
где Д/ — ступень селективности. Для защиты с независимой выдержкой време
ни ступень селективности принимают от 0,4 до 0,6 с.
242
Рис. 4.3. Схема сети с односторонним питанием (а), ступенчатый график
выдержки времени (б) и кривые зависимости /к от расстояния (<?)
Ток срабатывания защиты
СЗ
(4.7)
где к3 — коэффициент запаса, равный от 1,1 до 1,2;
къ — коэффициент возврата, равный от 0,8 до 0,9;
Z тах — максимальный рабочий ток нормального режима (с учетом само-
запуска асинхронных электродвигателей из-за возможного кратковременного
отключения напряжения с последующим его восстановлением).
Уже отмечалось, что при КЗ, например в точке КЗ (рис. 4.3, а), ток
повреждения проходит через все защиты и они могут прийти в действие.
После отключения защитой АКЗ своего выключателя Q3 все остальные
защиты должны вернуться в исходное состояние при оставшемся в ли-
нии рабочем токе. Для обеспечения условий надежного возврата защит
в выражение (4.7) и вводят коэффициент возврата к^.
Ток срабатывания реле зависит от коэффициента трансформации
трансформаторов тока и схемы их включения:
243
к
_ СХ ]
ср g сз ’
т
(4.8)
где ксх — коэффициент схемы для нормального режима работы сети (см. п. 2.4).
Чувствительность защиты определяется по условию:
/ т(т)
- P’min - сх к.min
4 I к I
ср сх сз
(4.9)
где I^m\
к. min
— минимальный ток м-фазного КЗ при повреждении в конце за-
щищаемой зоны;
к^ — коэффициент схемы для режима, при котором определяется мини-
СХ
мальный ток КЗ;
7р,пйп ~ ток в реле, соответствующий минимальному значению тока задан-
ного вида КЗ в расчетной точке.
Например, для защиты АК1 (см. рис. 4.3, а) расчетные точки КЗ при-
нимаются на шинах подстанций Б и В. В этом случае защита АК1 для
участка А—Б будет основной, а для участка Б—В — резервной. Для ос-
новной защиты необходимо выполнение условия к^> 1,5, а для резерв-
ной к^ > 1,2.
Поскольку ток /сз, вычисляемый по выражению (4.7), соответствует
нормальному (симметричному) режиму, то в формулах (4.8) и (4.9) при-
нимают к = к^ (см. табл. 2.3). Значение к^ зависит от вида КЗ, для
которого вычисляют ток /к min. Если рассматривается трехфазное КЗ
^Kmin ^min ’ то в Ф°РмУле (4-9) принимают к^ =к^. При двух-
фазном КЗ (^Kmin =^min^ принимают к^ > величину которого
находят по табл. 2.3.
Выбор вида КЗ (№. или I® . ) зависит от того, какой ток менъ-
ктт клип '
ше. Для удаленных от электрических станций КЗ 1^ = л/31^/2 =
К к
= 0,866/. Поскольку в этом случае ток двухфазного КЗ меньше тока
1ч
244
трехфазного КЗ, то в качестве расчетного в формуле (4.9) принимают
. При КЗ вблизи источников питания № может быть больше ;
Kmin к к
в этом случае в качестве расчетного принимают .
Изменения в сопротивлении энергосистемы существенно влияют на
длину защищаемой зоны. Это можно иллюстрировать графиками рис.
4.3, в, на которых кривая 1 —• это зависимость тока КЗ 7К в месте уста-
новки защиты от расстояния / до места КЗ в режиме максимума энерго-
системы; кривая 2 — та же зависимость в режиме минимума энергосис-
темы. Параллельно оси абсцисс проведена прямая, соответствующая
току срабатывания /сз защиты, вычисленному на основании формулы
(4.7). Точки пересечения кривых 7 и 2 с линией тока срабатывания оп-
ределяют длину защищаемой зоны', в режиме максимума энергосистемы
эта длина равна / +1 2, а в режиме минимума энергосистемы она со-
кращается до f 2 .
Кривые 3 и 4 получены из кривых 7 и 2 делением токов КЗ на коэф-
фициент чувствительности к^. Их пересечение с линией тока срабаты-
вания /сз определяет зону устойчивой и неустойчивой работы. Для режи-
ма максимума энергосистемы длина /3| определяет зону устойчивой ра-
боты защиты с коэффициентом чувствительности, равным или бдльшим
нормативного значения, а длина /з2 соответствует зоне неустойчивой ра-
боты (с коэффициентом чувствительности меньше нормативного значе-
ния). Для режима минимума энергосистемы зона устойчивой работы равна
Г , а зона неустойчивой работы — Г . Для обеспечения чувствительное-
О 1
ти защиты в соответствии с условием (4.9) длина зоны Г должна быть
О А
больше расстояния между подстанциями А и Б. Значение 7СЗ, показанное
на рис. 4.3, в, такому требованию не удовлетворяет. Следовательно, это
значение необходимо уменьшить так, чтобы выполнялось условие (4.9).
Достоинством защиты является ее простота, недостатками — боль-
шие выдержки времени, увеличивающиеся по мере приближения к ис-
точнику питания, и нестабильность зоны защиты. Защита широко ис-
пользуется в радиальных линиях всех напряжений.
Максимальную токовую защиту можно выполнить и с помощью реле
РТ-80, имеющих ограниченно зависимую характеристику времени сра-
245
Рис. 4.4. Выбор характеристики
срабатывания реле тока РТ-80
батывания. Схема защиты с такими
реле упрощается, так как отпадает
необходимость в реле времени. Од-
нако согласование времени действия
защит на разных участках при этом
усложняется. Рассмотрим процесс
согласования, например защит АК1
и АК2 (см. рис. 4.3, а). Пусть защита
АК2, выполненная на токовом реле
РТ-80, имеет характеристику 2 (рис.
4.4). При коротком замыкании в рас-
четной точке К2 (см. рис. 4.3 — в дан-
ном случае она выбирается вблизи
шин подстанции Б, где установлена защита АК2) последняя имеет вы-
держку времени /2. Выдержку времени для защиты АК1 находим, как
— /2 + AZ, причем для защит с ограниченно зависимой характеристикой
времени срабатывания ступень селективности принимается равной 0,6—
1 с. Отмечаем точку т (см. рис. 4.4) с координатами 7^, и проводим
через эту точку типовую характеристику реле РТ-80 (кривая 7), которой
и должна обладать защита АК1. Характеристика 1 найдена при условии,
что через защиту АК2 протекает наибольший ток короткого замыкания.
При меньших токах точка К2 смещается вправо к подстанции В и
условия селективности тем более выполняются.
Токовая отсечка. Она отличается от максимальной токовой принци-
пом обеспечения селективности. Схема включения реле в простой то-
ковой отсечке отличается от схемы на рис. 4.2 только отсутствием реле
времени. Селективность токовой отсечки достигается выбором такого
тока срабатывания защиты, при котором ограничивается зона се дей-
ствия. Рассмотрим принцип выбора тока срабатывания защиты АК1
линии, питающейся от энергосистемы с ЭДС Ес и сопротивлением Хс
(рис. 4.5). При КЗ в точке К1
I =Е/(Х+х1), (4.10)
Л. и V XJ
где х0 — удельное сопротивление 1 км линии;
/— расстояние от шин подстанции А до точки К1.
По условию селективности защита АК1 не должна срабатывать при
коротких замыканиях за шинами подстанции Б — эти повреждения от-
246
Рис. 4.5. Определение зон действия токовой отсечки
ключаются защитой АК2. Следовательно, зону действия защиты АК1
необходимо ограничить участком А—Б. Для этого расчетную точку К1
выбирают на шинах подстанции Б и находят наибольший ток коротко-
го замыкания в режиме максимума энергосистемы /к тах. Ток срабаты-
вания защиты
СЗ
з к. max
(4.П)
Коэффициент запаса к3 учитывает возможные погрешности в расче-
те тока КЗ и погрешность в токе срабатывания реле. Для реле РТ-40
к3 = 1,2—1,3, для индукционных реле РТ-80 к3 = 1,5—1,6, для реле пря-
мого действия РТМ к3 = 1,8—2- Поскольку коэффициент запаса к3 > 1,
то зона действия токовой отсечки /3 оказывается меньше, чем расстоя-
ние между шинами подстанций А и Б. Величина /3 находится графичес-
ки (см. рис. 4.5) как расстояние от шин подстанции Адо точки п пересе-
чения прямой, соответствующей току срабатывания /сз, с кривой 7. Эта
кривая представляет собой зависимость тока КЗ /к от расстояния / до
места КЗ в режиме максимума энергосистемы. В режиме минимума
энергосистемы зона действия отсечки уменьшается до Г . Это расстоя-
ние определяется точкой пересечения т прямой /сз с кривой 2 — зави-
симостью /к(/) в режиме минимума энергосистемы.
Так как отсечка не срабатывает при внешних КЗ, то условий возвра-
та предусматривать нс надо и коэффициент возврата в выражении (4.11)
247
не учитывается. Ток срабатывания реле находится по выражению (4.8).
Чувствительность отсечки определяют по условию (4.9), где 1К — ток,
проходящий через защиту при двухфазном КЗ вблизи места установки
защиты в минимальном режиме энергосистемы. Коэффициент чувстви-
тельности должен быть не менее 1,2.
Токовая отсечка может применяться и в линиях с двусторонним пи-
танием. Достоинством токовой отсечки является ее простота и быстро-
действие, недостатком — наличие незащищенного участка вблизи шин
смежной подстанции Б — мертвой зоны /мз в режиме максимума и мерт-
вой зоны /' •— в режиме минимума энергосистемы (см. рис. 4.5). Для
ликвидации этого недостатка можно применить токовую отсечку с вы-
держкой времени, выполняемую по схеме рис. 4.2. В этом случае защи-
ту АК1 (см. рис. 4.5) выполняют в виде двух токовых отсечек. Одна из
них, не имеющая выдержки времени, выбирается по условию (4.11).
Вторая, с выдержкой времени, имеет несколько меньшее значение /сз и
срабатывает при повреждениях за шинами подстанции Б (в точке К2).
В этом случае повреждения в зоне будут отключаться без выдержки вре-
мени, а повреждения в более удаленных точках (вплоть до цгин подстан-
ции Б) — с выдержкой времени. Возможно также сочетание токовой
отсечки и максимальной токовой защиты.
Токовые направленные защиты. В сетях с двусторонним питанием и в
кольцевых сетях максимальная токовая защита не может обеспечить
выполнение принципа селективности. В этих случаях применяют мак-
симальную токовую направленную защиту (рис. 4.6). Дополнительным
Рис. 4.6. Схема максимальной токовой направленной защиты
248
элементом схемы в каждой фазе является реле направления мощности
KW. Его токовый элемент /включен последовательно с реле тока КА во
вторичную цепь трансформатора тока соответствующей фазы, а элемент
напряжения U получает питание от трансформатора напряжения TV,
устанавливаемого, как правило, на шинах распределительного устрой-
ства. Контакты реле КА и KW в каждой фазе включены последователь-
но, следовательно, защита приходит в действие только при одновремен-
ном срабатывании реле тока и реле направления мощности (логическая
операция И). Таким образом, эта защита реагирует не только на значе-
ние, но и на фазу тока. Для защит высоковольтных сетей реле мощнос-
ти выбираются так, чтобы их действие происходило при направлении
мощности короткого замыкания от шин в линию.
Рассмотрим линию с двусторонним питанием, защиты выключате-
лей которой оборудованы максимальной токовой направленной защи-
той (рис. 4.7). Направления мощности, при которых срабатывают реле
KW на каждом из выключателей, обозначены короткими стрелками.
В соответствии с этими направлениями защиты на выключателях Q2,
Q4, Q6 реагируют на токи, протекающие через них от источника пита-
ния ЭС1, а защиты на выключателях Q3, Q5, Q7 — на токи, протекаю-
щие через них от источника питания ЭС2. Выдержки времени fa fa fa
защит соответственно на выключателях QI, Q3, Q5, Q7 выбирают, как
для максимальных токовых защит по ступенчатому признаку с увеличе-
нием времени срабатывания по мере приближения к источнику пита-
ния ЭС2. Выдержки времени fa fa соответственно защит на вык-
лючателях Q2, Q4, Q6, Q8 увеличиваются по мере приближения к
Рис. 4.7. Схема и диаграмма, поясняющие принцип встречно-ступенчатого
распределения выдержек времени
249
источнику питания ЭС1. Такой принцип определения выдержек време-
ни направленных защит называется встречно-ступенчатым.
При КЗ в точке К могут прийти в действие только защиты на выклю-
чателях Q2, Q4, Q5, Q7, поскольку для них направление мощности, при
котором они могут сработать (короткие стрелки), совпадает с действи-
тельным направлением мощности КЗ и S2 (длинные стрелки). При этом
наименьшую выдержку времени имеют защиты на выключателях Q4 и
Q5. Поэтому при КЗ в точке К отключатся только эти выключатели, что и
требуется по принципу селективности. Аналогичным образом селектив-
ность обеспечивается при повреждениях и на других участках линии.
Токи срабатывания защит и реле выбираются по выражениям (4.7), (4.8).
Кроме того, для сетей с глухо заземленной нейтралью зашита должна быть
отстроена от токов, возникающих в неповрежденных фазах при замыка-
нии на землю. Максимальная токовая направленная защита трехфазных
линий устанавливается в двух или трех фазах. При этом реле направления
мощности (с углом максимальной чувствительности 30° или 45°) в каждой
фазе включаются по так называемой 90-градусной схеме: катушка тока
включается на фазный ток, а катушка напряжения — на междуфазное
напряжение двух других фаз. При трехфазном КЗ вблизи места установки
защиты напряжение в сети резко падает. Если напряжение (7рл подво-
димое к реле направления мощности, при этом окажется слишком ма-
лым, то оно не сработает. Участок линии, КЗ на котором не вызывают
действия реле направления мощности, называется мертвой зоной.
Наличие мертвой зоны, как и большие выдержки времени, особенно
вблизи источников питания, являются недостатками рассматриваемой за-
щиты. Эти недостатки могут быть исправлены, если совместно с макси-
мальной токовой направленной защитой применить токовую отсечку. Та-
кая защита широко используется в сетях напряжением до 35 кВ с двусто-
ронним питанием, а в ряде случаев как резервная и в сетях 110 и 220 кВ.
Максимальные токовые защиты являются основными в устройствах
микропроцессорных защит воздушных и кабельных линий 6—35 кВ —
типов «Сириус», «Орион-М», БМРЗ и SPA.
4.3. Дистанционная защита
Основные понятия. Дистанционная защита, которая основана на ис-
пользовании реле сопротивления, на границе срабатывания реагирует
на отношение подведенных величин U? и 7р [14, 17, 18, 151]. В режиме
короткого замыкания это отношение при определенных условиях про-
250
порционально сопротивлению фазы линии от места установки защиты
до места короткого замыкания. Для обеспечения селективности дистан-
ционной защиты на линии, состоящей из нескольких участков, ее вы-
держка времени t плавно или ступенчато повышается с увеличением
расстояния до места повреждения /к. Наиболее часто применяют защи-
ты со ступенчатой зависимостью t = f (/к). Применение в релейной за-
щите полупроводниковых элементов позволяет получить реле сопротив-
ления с плавно зависимыми характеристиками выдержки времени [19].
При ступенчатой зависимости t=f(l^ для линии, разделенной вык-
лючателями на несколько участков (рис. 4.8), защита AKZ1 имеет ха-
рактеристику 1, характеристика 2 соответствует защите AKZ2, характе-
ристика 3 защите AKZ3. При КЗ в точке КЗ придут в действие защи-
ты AKZ1 и AKZ2, но отключится выключатель с защитой AKZ2,
поскольку последняя имеет меньшую выдержку времени для поврежде-
ния в данном месте. Как видно из рис. 4.8, чем ближе место поврежде-
ния к источнику питания, тем меньше выдержка времени защиты, что
является ее достоинством по сравнению с максимальными токовыми
защитами. Поскольку дистанционная защита реагирует на отношение
Up к /р, то зона ее действия, в отличие от токовых защит, не зависит от
сопротивления энергосистемы. Поэтому к достоинствам дистанцион-
ной защиты относится и то, что ее чувствительность и селективность не
зависят от режима работы энергосистемы.
Рис. 4.8. Схема и диаграмма, поясняющие распределение выдержек времени
дистанционной защиты
251
Дистанционная защита состоит из следующих основных органов: пус-
кового, дистанционного, направления мощности, выдержки времени,
блокировки. Пусковой орган запускает защиту при возникновении КЗ. Как
правило, он выполняется в виде реле тока или реле полного сопротивле-
ния. Дистанционный орган определяет удаленность короткого замыкания
и выполняется с помощью реле сопротивления. Орган направления мощ-
ности применяется в линиях с двусторонним питанием. Он позволяет
срабатывать защите только при направлении мощности КЗ от шин в ли-
нию. Использование в дистанционном органе направленных реле сопро-
тивления с характеристиками, проходящими через начало координат (ок-
ружность, эллипс, многоугольник, «замочная скважина» и др.), исклю-
чает надобность иметь в защите отдельный орган направления мощности.
В органе выдержки времени используют реле времени с различными вы-
держками времени. Блокировки предотвращают неправильное действие
защиты при отсутствии КЗ на защищаемой .линии, при повреждениях в
цепях а также при качаниях в системе [14—18, 45, 46, 151].
В упрощенной схеме трехступенчатой дистанционной защиты (рис. 4.9)
к пусковому органу в виде реле тока или реле сопротивления KZ, а так-
же к дистанционному органу в виде двух реле сопротивления KZ1 и KZ2
подводятся ток /р от трансформаторов тока ТА и напряжение g от
трансформатора напряжения TV. Сопротивление на зажимах реле KZ,
KZ1 и KZ2 равно Zp = U^/Д^. На каждом из них устанавливается своя
уставка реле ZC3, ZC31, ZC32. Срабатывание реле KZ, KZ1 и KZ2 происхо-
дит при условии соответственно Zp < ZC3, < ZC31, < ZC32.
+EC -EC
От других
защит
Рис. 4.9. Трехступенчатая дистанционная защита
252
Рассмотрим работу защиты AKZ1, установленной на подстанции А
и воздействующей на выключатель Q1 (см. рис. 4.8). Уставка ZC31 реле
KZ1 этой защиты соответствует повреждению на расстоянии Гот места
ее установки. Уставка ZC32 реле KZ2 соответствует расстоянию I", зона
действия пускового органа KZ равна Г".
Пусковой орган KZ подает оперативное напряжение на контакты
реле KZ1 и KZ2, а также на катушку реле времени КТ2 (см. рис. 4.9).
Выдержку времени реле КТ1 принимают меньшей выдержки времени
реле КТ2 (как правило, 0,5 с для реле КТ1 и 1 с для реле КТ2).
При КЗ в зоне lK<f одновременно срабатывают реле KZ, KZ1 и KZ2,
однако отключение произведет реле KZ1 без выдержки времени. При
КЗ в зоне I' < 1К < Г в защите AKZ1 сработают реле KZ и KZ2. Отклю-
чение произведет реле KZ2 через 0,5 с, так как выдержка времени
реле КТ1 меньше, чем у реле КТ2. Если повреждение произойдет в
зоне Г < /к < Г", то сработает только реле KZ и с помощью реле времени
КТ2 произведет отключение выключателя Q1 с выдержкой времени 1 с.
Первая ступень дистанционной защиты действует на длине /*, составля-
ющей от 70 до 80 % расстояния до шин смежной подстанции. Оставше-
еся (от 20 до 30 %) значение этого расстояния и шины смежной под-
станции защищены второй ступенью. Третья ступень резервирует защиту
линий, отходящих от шин смежной подстанции.
Токовые пусковые органы используют обычно в сетях с напряжени-
ем до 35 кВ при одностороннем питании, если обеспечивается коэффи-
циент чувствительности 1,5—2 по отношению к минимальному току
КЗ в конце защищаемой линии. В линиях более высокого напряжения,
а также при двустороннем питании пусковые органы выполняют с по-
мощью реле сопротивления.
Измерительные органы. По числу измерительных органов сопротив-
ления дистанционные защиты могут иметь трех-, двух- и односистемное
исполнение. В трехсистемных защитах реле KZ, KZ1 и KZ2 (см. рис. 4.9)
устанавливают во всех трех фазах. Для того чтобы при любом двух- и
трехфазном КЗ сопротивление было пропорционально расстоянию
до места КЗ, эти реле включают на междуфазные напряжения и разно-
сти одноименных фазных токов. Если, например, к реле подводится
напряжение = Uab, то ток должен быть Zp = Ia — 1Ь.
Ддя получения разности фазных токов можно трансформаторы тока
соединить в треугольник (см. рис. 2.11, в). Однако более часто приме-
няется схема включения трансформаторов тока в звезду. В этом случае
253
реле сопротивления подключаются к ним через трансреакторы (рис. 4.10).
Трехсистемные защиты требуют большого числа реле: они сложны и гро-
моздки. Для уменьшения числа реле применяют двухсистемные и одно-
системные схемы включения дистанционных органов. Однако при та-
ких системах необходимо осуществлять переключение цепей тока и на-
пряжения в зависимости от вида повреждения [16, 17]. Недостатком
защит с переключением является наличие контактов в цепях тока и на-
пряжения, что снижает их надежность.
Односистемное реле сопротивления, одинаково чувствительное ко
всем видам многофазных повреждений, можно получить, включая нуль-
орган ЕА (рис. 4.11) через логические ячейки D1 (макси-селектор) и D2
(мини-селектор). На вход ячейки D1 подаются сигналы, пропорциональ-
ные разности фазных токов, а на вход ячейки D2 — сигналы, пропор-
циональные междуфазным напряжениям. На выходе ячейки D1 фор-
мируется постоянное напряжение, пропорциональное наибольшему, а
на вьгходе ячейки D2 — наименьшему из входных сигналов. Таким об-
разом, нуль-орган ЕА сравнивает наибольшую из разностей фазных то-
ков Zmax с наименьшим из междуфазных напряжений Условие сра-
батывания: к
—max | • Отсюда имеем:
—min
—max
Рис. 4.10. Схема включения трехсистемных дистанционных защит
(4.12)
254
Рис. 4.11. Структурная схема односистемного реле сопротивления
Здесь Z = £7 . /|/тах > /к , где к^, кп — коэффициенты пропор-
циональности.
Определим сопротивление на зажимах реле при трех- и двухфазных
коротких замыканиях в линиях с медными или алюминиевыми прово-
дами. При трехфазном КЗ все три разности фазных токов и три между-
фазных напряжения соответственно равны и сдвинуты на 120°. Если ток
трехфазного повреждения 1^, то
—max
Междуфазное напряжение в месте установки дистанционной защиты:
где Zj — модуль удельного сопротивления прямой последовательности 1 км
линии (на одну фазу);
/к — расстояние до места повреждения. В этом случае
(4.13)
При двухфазном коротком замыкании, например между фазами а
и Ь, разность La~Lb имеет наибольшее значение, следовательно,
Zmax|= “Zz? =2/<2\где — ток двухфазного короткого замыка-
ния. Токи 1а и 1Ь при таком виде повреждения сдвинуты на 180°. В месте
255
установки защиты междуфазное напряжение будет иметь наименьшую вели-
чину между поврежденными фазами. Поэтому lLa~^Lb -1 ^к-
В этом случае
—min
—max
к
(4.14)
Таким образом, Z<3) = Z^ , т.е. при всех видах междуфазных корот-
ких замыканий сопротивление на зажимах односистемной защиты с
макси- и мини-селекгорами одинаково и пропорционально расстоянию
до места повреждения. По этому принципу выполняется дистанцион-
ная защита типа ДЗ-10 для линий 6—10 кВ [16, 19].
Для того чтобы и при однофазных КЗ (в сетях с заземленной нейтра-
лью) сопротивление Z? на зажимах реле сопротивления было пропор-
ционально удаленности места повреждения, к реле надо подводить дру-
гие сочетания (7р и /р. Фазное напряжение в месте установки за-
щиты при однофазном замыкании на землю, например фазы А, равно
Г/(1) - . /(О™ 7 । ГГ(1) । /(Dy / । Г/(1) । Г 7 I
где —кО “ соответственно напряжения прямой, обратной и нулевой
последовательностей в месте КЗ;
У \ , /0 — соответственно токи прямой, обратной и нулевой последо-
вательностей в поврежденной фазе;
Zj, z2, Zq — соответственно сопротивления прямой, обратной и нулевой пос-
ледовательностей поврежденной фазы;
/ — расстояние от места установки защиты до места КЗ.
При металлическом КЗ в месте повреждения имеем: +££к2 +—кО
Для трехфазной линии сопротивления прямой и обратной последова-
тельностей одинаковы = z2 [2], поэтому:
256
В правую часть этого выражения добавим член = О и У4-
тем, что Zj h-Zj +Zq) =-Л • Тогда после преобразований получаем
U^l
! Z0 -Zt
= Zi/(z(j} +kl0),
где к = (zo*-^i)/Zr
Подадим на реле сопротивления фазы А входные величины U_pA =
= и /рЛ = + кГц , тогда сопротивление на зажимах реле фазы А
будет равно:
7 _ —_
"“7 “
—рЛ
-------- = Zi/
^0
т.е. пропорционально удаленности до места КЗ.
Очевидно, что к реле сопротивления, установленным в фазах В и С,
необходимо подавать величины:
“Р “р2? 1<»+к10’ “Р “рС $>+к10
При однофазном КЗ сработает реле сопротивления в поврежденной
фазе. Два других реле не сработают.
Вводимый в /р дополнительный ток к1$ называется током компенса-
ции, а коэффициент к— коэффициентом компенсации. Ток /0 может быть
получен с помощью специального трансформатора тока нулевой пос-
ледовательности либо трех трансформаторов тока, установленных по
одному в каждой из фаз. При соединении их вторичных обмоток в звез-
ду и замыкании одной фазы на землю в нулевом проводе протекает ток
/0, который можно завести в реле [16].
В практике выполнения дистанционной защиты с током компенса-
ции kl§ обычно пренебрегают неравенством углов сопротивлений z0 и
Zj и определяют коэффициент компенсации на основе модулей сопро-
тивлений в виде k = (z0 — z^/zp Для воздушных высоковольтных линий
без защитных тросов z0 « 3,5zp поэтому к = 2,5.
257
В микропроцессорных защитах экономия на числе дистанционных
измерительных органов теряет смысл, поскольку оценка сопротивле-
ний, измеряемых защитой, осуществляется программным путем. Ана-
логовые входы микропроцессорных терминалов выполняются таким
образом, что к ним можно подводить от измерительных трансформато-
ров напряжения и тока линейные напряжения, фазные напряжения и
токи, а также напряжения и токи нулевой последовательности.
Не представляет сложности выделить программный блок, в котором
для каждой фазы ЛЭП осуществляется вычисление отношения
где /7ф , /ф — напряжения и токи соответствующей фазы.
В сетях с заземленной нейтралью для фазы, в которой прошло
металлическое КЗ на землю, однозначно выполняется соотношение
I ~ zn-3 гдс гп-з — сопротивление 1 км контура «провод-земля».
Следовательно, значение пропорционально удаленности до места
р
однофазного КЗ. При этом вводить в защиту ток компенсации к10 нет
необходимости.
Выбор уставок. Рассмотрим принципы выбора уставок защиты AKZ1
на подстанции А (см. рис. 4.8). Первая ступень дистанционной защиты
выполняется, как правило, с помощью реле полного сопротивления,
характеристика срабатывания которого приведена на рис. 3.33, б. Со-
противление срабатывания защиты Zc31 при условии, что на участке А—
Б нет отпаек, рассчитывается как
(4.15)
где Z\ — модуль сопротивления прямой последовательности линии А—Б;
£з1 = 0,8—0,9 — коэффициент запаса, учитывающий неточность настрой-
ки, погрешности реле и измерительных трансформаторов.
Зона защиты второй ступени должна заходить за шины подстанции
Б, но не далее конца зоны первой ступени защиты AKZ2. В то же время
зона действия второй ступени защиты AKZ1 не должна распространяться
на КЗ за трансформаторами, присоединенными к шинам подстанции
Б. Во второй ступени также применяют обычно реле полного сопротив-
258
ления. Сопротивление срабатывания этой ступени выбирают, пользу-
ясь выражениями:
ZC32 I—сз21 W +k32k-mZC3\>’
(4.16)
Zc32 =kc32| = MZl +d-A^T)2^Z], (4.17)
где Zf — модуль сопротивления срабатывания первой ступени защиты AKZ2;
сз1
Zy — модуль полного сопротивления прямой последовательности линии А—Б;
Zr — сопротивление наиболее мощного трансформатора, присоединенного
к шинам подстанции Б;
AjVt — отклонение коэффициента трансформации трансформатора от но-
минального;
к32 — коэффициент запаса, равный 0,85—0,9;
— коэффициент токораспределения, равный /к2 /Ас1 ’
к^ — коэффициент распределения, равный (см. рис. 4.8).
Если к шинам подстанции Б подключен еще хотя бы один источник
питания, токи /к1, и различны. В качестве расчетного принима-
ется меньшее из двух значений, вычисленных по (4.16) и (4.17).
Выбранное значение Zc32 проверяется по условиям чувствительности:
^4 = ZC32/Z1>1,25. (4.18)
Условие (4.18) предполагает, что защита имеет и третью ступень. При
отсутствии последней коэффициент чувствительности в формуле (4.18)
должен быть не менее 1,5. Уставка третьей ступени (пускового органа)
определяется условиями отстройки (нечувствительности) от нагрузки
нормального режима работы. Если в качестве пускового органа приме-
няется реле тока, то уставка вычисляется как и для максимальной токо-
вой защиты по выражению (4.7). Чувствительность проверяется по вы-
ражению (4.9) для КЗ в конце зоны резервирования. Коэффициент чув-
ствительности должен быть не менее 1,5.
При использовании в качестве пускового органа реле полного сопро-
тивления уставку третьей ступени защиты Zc33 находят по выражению:
к Z
ч к. max
<Z . /(к к )
сзЗ н. min' 4 з в'
(4.19)
где 2Ги т-п — модуль наименьшего сопротивления, замеряемого защитой в нор-
мальном режиме;
Z, min — модуль сопротивления, замеряемого защитой при КЗ в конце сле-
дующего участка (на шинах подстанции В на рис. 4.8);
259
к3 — коэффициент запаса, равный 1,15—1,25;
къ — коэффициент возврата, равный 1,05—1,15;
кц — коэффициент чувствительности, который должен быть не менее 1,2
при КЗ в конце зоны резервирования.
Сопротивление нормального режима
. =и . /431
н.пип н.шш' н.тах’
(4.20)
где min — наименьшее значение линейного напряжения на шинах подстан-
ции в месте установки защиты;
/„ may ~ максимальный ток нагрузки.
Если условие (4.19) не выполняется, то в качестве пускового органа
применяют направленное реле сопротивления с характеристикой (см.
рис. 3.33, 6), описываемой выражением Z^ = Z^^v cos(<p -a). Угол
сз езтах р
а реле выбирают примерно равным фазовому углу <рк между током и
напряжением при КЗ (60—70°). В этом случае при КЗ защита будет об-
ладать наибольшей чувствительностью, которая характеризуется сопро-
тивлением срабатывания ZC3 = Zc3 тах, так как фк = а. При значениях
угла <рн = 20—40°, соответствующих нормальному режиму, чувствитель-
ность защиты уменьшается. Уставку выбирают по условию:
Z
kg <g <__________Н.ТШП____
ч к.max- сзЗ-££зСО8(а-Фн)'
(4.21)
В длинных, сильно загруженных линиях для пусковых органов и тре-
тьих ступеней дистанционных защит условие (4.21) может не выполнять-
ся. В этих случаях применяют реле сопротивления со сложными харак-
теристиками в виде эллипса, многоугольника, «замочной скважины» (см.
рис. 3.50).
Сопротивление срабатывания реле, включенного на междуфазные
напряжения и разность фазных токов, вычисляется по выражению
Z =Z К /Кгг
ср сз т' U
(4.22)
где Xj. и Кд — коэффициенты трансформации соответственно трансформато-
ров тока и напряжения.
Панели и комплектные устройства. Для дистанционной защиты ис-
пользуются блоки сопротивлений типа БРЭ 2801 [22] с характеристи-
260
кой срабатывания в виде окружности или эллипса. Устройства защиты
типов ЯРЭ представляют собой набор блоков, позволяющих выполнить
различные виды защит и автоматики, и предназначены для установки в
комплектных распределительных устройствах напряжением 6—10; 27,5
и 35 кВ [19]. Панели защиты типов ПЗ 4/1, ПЗ 4М/1 предназначены для
защиты линий 35—110 кВ и содержат токовую отсечку и трсхступенча-
тую дистанционную защиту [ 19]. Для защиты линий 110—220 кВ исполь-
зуются панели защиты и автоматики ЭПЗ 1636 [80], шкафы дистанци-
онной и токовой защит ШДЭ 2801, ШДЭ 2802 [81], а для линий 500 кВ и
выше — панель дистанционной защиты типа ПДЭ 2001 [82]. Дистанци-
онная защита входит в состав микропроцессорных терминалов REL521
и REL670 (см. п. 3.7).
4.4. Взаимные связи в защитах
Индивидуальные защиты, установленные на разных концах защи-
щаемой линии или разных линиях, присоединенных к общим сбор-
ным шинам, можно объединить взаимными связями в групповую за-
щиту К групповой относится и такая защита, которая получает ин-
формацию о режиме работы из различных мест защищаемого объекта
и воздействует одновременно на все выключатели, присоединяющие
этот объект к источникам питания. Распространение нашли логичес-
кие взаимные связи, при которых обработка информации, получае-
мой из различных мест защищаемого объекта или от различных за-
щит, осуществляется с помощью элементарных логических операций
НЕ, И, ИЛИ, ЗАПРЕТ, ВРЕМЯ.
Защита с взаимными связями должна, очевидно, иметь блок анализа
информации. В некоторых простейших случаях роль такого блока могут
выполнять измерительные органы защиты, однако более совершенные
защиты осуществляют анализ информации в логической части.
Сигналы, которые поступают в блок анализа информации, могут
иметь аналоговую, дискретно-аналоговую и дискретную формы. С их
помощью можно сравнивать направление мощности, значения токов,
состояние измерительных органов индивидуальных защит в различных
точках защищаемого объекта. Возможно также использовать информа-
цию от вспомогательных контактов выключателей и разъединителей,
шифраторов и дешифраторов автоматизированных систем управления,
от датчиков неэлектрических величин.
261
Рис. 4.12. Структурная схема защи-
ты с аналоговой взаимной связью
Защиты с аналоговой связью сравни-
вают текущую информацию (аналого-
вые сигналы) о режимах работы, полу-
чаемую, например, от трансформато-
ров тока, установленных на разных
концах объекта или разных объектах. В
схеме защиты (рис. 4.12) ко вторичным
обмоткам трансформаторов тока ТА1 и
ТА2 присоединена схема сравнения
СС. Если вторичные токи трансформа-
торов тока одинаковы и совпадают по
фазе, то схема СС не срабатывает. При
неравенстве токов или несовпадении их фаз она срабатывает и с помощью
выходного органа ВО производит отключение обоих выключателей Q1 и Q2.
Такой принцип широко используют в дифференциальных защитах.
В защитах с дискретно-аналоговой связью предполагается, что аналоговые
сигналы от всех объектов подсистемы, с которыми данный элемент осуще-
ствляет взаимную связь, несущие текущую информацию о режиме работы
своего объекта, поступают предварительно на макси- или мини-селектор.
Макси-селектор пропускает на выход тот из входных сигналов, который яв-
ляется наибольшим, а мини-селектор — наименьший. Сигнал, прошедший
через макси- или мини-селектор, поступает далее на схему сравнения, где
сопоставляется с аналоговым сигналом датчика защиты данного объекта.
Для упрощения на структурной схеме защиты с дискретно-аналого-
вой поперечной связью (рис. 4.13, а) полностью показаны соответству-
ющие блоки только для двух присоединений к шинам, поскольку для
всех остальных присоединений (при любом их числе) защита выполня-
ется аналогично. Каждое присоединение имеет свою релейную защиту.
Элементы защиты первого присоединения имеют в обозначении цифру
1, элементы защиты второго присоединения — цифру 2.
Релейная защита первого присоединения, например линии, получает
информацию от трансформаторов тока ТА1 и напряжения TV1. Релейная
защита второго присоединения получает информацию от трансформато-
ров тока ТА2 и напряжения TV2. Эти трансформаторы снабжают инфор-
мацией измерительные схемы ИС1 и ИС2, которые формируют соответ-
ствующие аналоговые сигналы Ху и 2^. Сигнал 2^ поступает на один из
входов схемы сравнения СС1; на второй вход этой схемы поступает сиг-
нал, прошедший через селектор D1. Сигнал Х2 поступает на один из входов
262
К О +х„
'Н<—о+Л
4-Н—o+*i
Рис. 4.13. Структурная схема защиты с дискретно-аналоговой связью
схемы сравнения СС2; аналогично на второй вход этой схемы подается сиг-
нал, прошедший селекцию в селекторе D2. На входы селекторов D1 и D2
поступают аналоговые сигналы Хг- от измерительных схем ИС защит всех
остальных линий, присоединенных к общим шинам (кроме своей).
Если в качестве D1 используется макси-селектор, то схема сравне-
ния СС1 срабатывает, когда сигнал Ху, поступающий на один из ее вхо-
дов, будет больше, чем любой из сигналов Х-, прошедший через Din
поступающий на второй вход СС1. В том случае, когда в качестве D1
используется мини-селектор, схема сравнения СС1 срабатывает, если
сигнал меньше любого из сигналов Х-, прошедших через Din посту-
пающих на второй вход СС1. То же относится к схеме сравнения СС2 и
селектору D2. Таким образом, если, например, в качестве D1 и D2 при-
менены макси-селекторы и сигнал Xj больше любого из сигналов Х^
поступающего через D1 на второй вход схемы СС1, эта схема сравнения
263
сработает и подаст сигнал в логическую часть защиты ЛЧ1, которая с
помощью своего выходного органа отключит первое присоединение.
Аналогично построены защиты второго и всех других присоедине-
ний, объединяемые в групповую защиту.
Для приведенной структурной схемы в принципе безразлично, что
подразумевается под аналоговыми сигналами. Они могут быть пропор-
циональны току линии, сопротивлению, мощности и т.д. Если сравнива-
ются токи, то D должен быть макси-селектором, если же сравниваются,
например, отношения напряжения к току линии, то — мини-селектором.
Нетрудно убедиться, что защита с дискретно-аналоговой взаимной
связью, примененная для параллельных линий, обеспечивает отключе-
ние только одной поврежденной линии. При этом число параллельных
линий, их параметры и загрузка могут быть любыми. Вблизи шин смеж-
ной подстанции имеется зона каскадного действия, как и при попереч-
ной дифференциальной защите. Логические уравнения условий сраба-
тывания защиты имеют вид:
(4.23)
или
(4.23х)
где Fk — сигнал на выходе схемы сравнения защиты линии
Хк — сигнал на выходе измерительной схемы ИС^ защиты той же линии;
Xi — сигнал на выходе схемы ИС,- защиты линии номер /;
п — число линий, включенных в групповую защиту;
V — знак логической операции ИЛИ.
Условие Fk =1 здесь и далее соответствует появлению на выходе сиг-
нала с логическим значением 1, т.е. срабатыванию защиты.
Выражение (4.23) применимо для схемы с макси-селектором, выра-
жение (4.23') — для схемы с мини-селектором. Макси- (рис. 4.13, б) и
мини-селекторы (рис. 4.13, в) можно выполнять, например, на основе
схем сравнения выпрямленных напряжений. В макси-селекторе нуль-
264
орган ЕА откроется только в том случае, если сигнал Xk будет больше
любого из сигналов Х^ В мини-селекгоре нуль-орган ЕА закроется толь-
ко в том случае, если сигнал Хк будет меньше любого из сигналов Х^.
При сравнении токов защищаемых линий с помощью макси-селектора
необходимо, чтобы ток в неповрежденной линии с учетом ее нагрузки
был меньше тока КЗ поврежденной линии.
В защитах с дискретной взаимной связью логическая часть оперирует
только дискретными сигналами. По своим возможностям защита с дис-
кретной поперечной связью является более универсальной, чем рассмот-
ренные выше.
Измерительные органы 1ИО1, 1ИО2, 2ИО1, 2ИО2 рассматриваемой
защиты (рис. 4.14), состоящие из измерительной схемы и схемы срав-
нения (последняя определяет уставку), получают информацию о режи-
мах или состоянии защищаемого присоединения (линии) либо от транс-
форматоров тока TAI, ТА2, либо от трансформаторов напряжения TV1,
TV2, либо от тех и других одновременно. Выходной сигнал измеритсль-
Рис. 4.14. Структурная схема защиты с дискретной взаимной связью
265
ных органов — дискретный, т. е. он существует (логическое значение 1),
когда этот орган сработал, и не существует (логическое значение 0), если
он не сработал. Отключение данного присоединения может произойти
только в том случае, если имеется сигнал от своей измерительной схе-
мы и отсутствуют сигналы от защит других присоединений.
В структурной схеме для упрощения полностью показаны логичес-
кие связи только для двух линий (присоединений) из общего числа п,
объединенных взаимными связями. Рассмотрим взаимодействие эле-
ментов схемы для одной линии, защита которой получает информацию
от TV1 и ТА1. Измерительный орган 1ИО1 является пусковым. При его
срабатывании на выходе появляется сигнал X' == 1. Сигнал X' подает-
ся на вход ячейки ЗАПРЕТ (1D2). Сигналы Xi от всех линий, включен-
ных в групповую защиту, поступают на ячейку 1D3 и далее на 1D2. Если
на входе ячейки 1D3 нет ни одного из сигналов Xi (уXi = 0), то ячейка
1D2 открывается и на ее выходе появляется сигнал который прохо-
дит в выходной орган защиты данной линии и производит ее отключе-
ние. Если же при наличии сигнала X' существует хотя бы один из сиг-
налов X- = 1, то ячейка 1D2 запирается и = 0. Линия не отключается.
Аналогичным образом выполнена защита всех других линий в груп-
пе. Поперечную связь, если в этом появляется необходимость, можно
вводить лишь на определенное время.
Рассмотрим свойства и особенности групповой защиты с дискрет-
ной поперечной связью (рис. 4.15). Пусть к шинам подстанции А через
индивидуальные выключатели присоединено п линий, объединенных
групповой защитой. Каждая линия с обеих сторон связана с источника-
Рис. 4.15. Схема электрической сети
с параллельными линиями
ми питания.
В первом случае в групповой
защите, структурная схема ко-
торой приведена на рис. 4.14,
замкнуты контакты К.1, КЗ,
К4, Кб, а контакты К2 и К5
разомкнуты. Измерительные
органы 1И01,2ИО1,..., лИО1 —
ненаправленные. В качестве
измерительных органов 1ИО2,
2ИО2,..., пИО2 используются
устройства с действием (сраба-
266
тыванием) при направлении мощности от шин в линию. В этом случае
отключение защиты возможно только при повреждении «за спиной»,
например, в точке К1 (см. рис. 4.15), причем отключаются одновремен-
но все присоединения на подстанции А. В самом деле, при поврежде-
нии в данной точке сработают измерительные органы 1ИО1, 2ИО1, ...,
/1ИО1 всех линий (см. рис. 4.14), но ни один из органов 1ИО2, 2ИО2,...,
пИО2 не сработает, так как для них направление мощности при КЗ в
точке К1 противоположно тому, при котором они срабатывают.
Все сигналы Xi при этом отсутствуют и ячейки 1D2, 2D2,..., wD2 за-
щит всех линий отпираются, позволяя сигналам X' пройти на выход-
АС
ные органы ВО1, ВО2,..., «ВО. Логическое уравнение, характеризую-
щее работу защиты:
(4.24)
Во втором случае в групповой защите (см. рис. 4.14) контакты К2—-
К5 замкнуты, а контакты К1 и Кб разомкнуты. Остальные условия те
же. Срабатывание защиты может произойти только при повреждении
на линии, например в точке К2 (см. рис. 4.15). При этом со стороны
подстанции А отключается один лишь выключатель поврежденной ли-
нии. Разрешение на срабатывание защиты поступает только для той
линии, у которой направление мощности не совпадает с направлением
мощности во всех других присоединениях. Логическое уравнение, ха-
рактеризующее работу защиты:
(4.25)
В третьем случае в групповой защите контакты КЗ и К4 замкнуты, а
остальные разомкнуты. Остальные условия те же. Срабатывание защи-
ты данной линии происходит либо при повреждении, например в точке
К1, когда одновременно отключаются все выключатели группы; либо
при повреждении на линии, например в точке К2, когда отключается
267
выключатель только одной поврежденной линии. Логическое уравне-
ние, характеризующее работу защиты:
= 1.
(4.26)
Таким образом, третий случай соединяет в себе свойства двух преды-
дущих. Дополнительным преимуществом здесь является то, что измери-
тельные органы 1ИО1 и 1ИО2 первой линии могут быть в принципе заме-
нены одним. То же самое относится и ко всем другим линиям. В таком слу-
чае поперечная связь будет контролировать не физические параметры
режимов работы линии, а только состояние пусковых органов защиты.
Поперечная связь, действие которой определяется выражениями
(4.25) и (4.26), может быть использована для защиты любого числа па-
раллельных линий, имеющих неодинаковые параметры и нагрузки. Дей-
ствие защиты при повреждении в точке К2 (см. рис. 4.15) рассматрива-
лось выше. При КЗ в точке КЗ со стороны подстанции А срабатывает
защита только поврежденной линии, поскольку для остальных присое-
динений это повреждение находится за пределами зоны действия орга-
нов 1ИО1, 2ИО1, ..., лИО1. При повреждении в зоне каскадного дей-
ствия т, например в точке К4, на подстанции А срабатывают одновремен-
но измерительные органы всех линий. При этом ячейки 1D2, 2D2,..., «D2
защит всех линий со стороны подстанции А оказываются закрытыми и
ни одна из линий сигнала на отключение не получает. Однако после от-
ключения поврежденной линии со стороны подстанции Б измеритель-
ные органы 1ИО1, 2ИО1, ..., иИО1 защит всех линий, присоединенных
к подстанции А, кроме поврежденной, возвращаются в исходное состо-
яние, снимая запрещающий сигнал с ячейки 1D2 поврежденной линии,
и последняя отключается каскадно.
В четвертом случае рассматривается продольная связь защит одной
линии со стороны подстанций А и Б (см. рис. 4.15). В этом случае TV1 и
ТА1 (см. рис. 4.14) относятся к одному концу линии, a TV2 и ТА2 — к
другому. Поэтому сигналы Л, отсутствуют. Контакты К1, К2, К5, Кб зам-
кнуты, а КЗ и К4 разомкнуты. При этом:
(4.27)
268
По этому принципу работают высокочастотные защиты линий, рас-
сматриваемые ниже.
В пятом случае также рассматривается продольная связь защит од-
ной линии со стороны подстанции А и Б, но контакты КЗ и К4 замкну-
ты (см. рис. 4.14), остальные контакты разомкнуты, а вместо ячеек ЗАП-
РЕТ (1D2, 2D2) использованы ячейки ИЛИ. В этом случае ВО1 отклю-
чится либо от своего сигнала X', либо от сигнала защиты другого конца
линии Z2. Логическое уравнение, характеризующее работу защиты:
(4.28)
По такому принципу работает защита контактной сети с телеблоки-
ровкой.
4.5. Дифференциальные защиты
Продольная токовая дифференциальная защита сравнивает значе-
ния токов по концам защищаемой линии (рис. 4.16). В начале линии
у подстанции Айв конце линии у подстанции Б устанавливают транс-
форматоры тока ТА1 и ТА2 с одинаковыми коэффициентами транс-
формации. Вторичные обмотки трансформаторов соединяются двух-
проводной линией, к которой подключено реле тока КА. Ток в реле
/р = /21 — 122^ При срабатывании реле подается сигнал на отключе-
ние выключателей Q1 и Q2.
При КЗ в линии на участке между трансформаторами тока, например
в точке К1, направление токов показано сплошными стрелками. Ток в
реле КА равен сумме вторичных токов /21 и /22, и реле срабатывает.
КА
Q1
Рис. 4.16. Продольная дифференциальная зашита линии
269
В нормальном режиме и при внешних КЗ, т.е. при замыканиях за
пределами зоны между трансформаторами тока, например в точке К2,
направление токов 712 и ^22 показано пунктиром. Через реле КА проте-
кает разность вторичных токов 721 и 722. Так как в этом режиме 721 = 722,
ток в реле равен нулю. Защита, следовательно, реагирует на внутренние
и не реагирует на внешние КЗ и токи нормального режима, т.е. она об-
ладает абсолютной селективностью.
Вследствие погрешностей трансформаторов ТА их вторичные токи
неодинаковы, поэтому в нормальном режиме через реле протекает
ток небаланса. Ток срабатывания реле выбирают больше тока неба-
ланса. Однако при внешних КЗ ток небаланса резко увеличивается и
может привести к ложному срабатыванию защиты. Чтобы этого не
произошло, реле включают через промежуточные быстронасыщаю-
щиеся трансформаторы или применяют дифференциальное реле с
торможением [17].
Недостатком защиты является необходимость в соединительных про-
водах и системе контроля их исправности, что увеличивает ее стоимость
и снижает надежность. Поэтому защита применяется лишь в линиях
110—220 кВ длиной до 10— 15 км. Более подробные сведения содержат-
ся в [17, 19].
Поперечная токовая дифференциальная защита сравнивает токи од-
ноименных фаз в двух параллельных линиях, присоединенных к об-
щим шинам (рис. 4.17). Трансформаторы тока обеих линий имеют оди-
наковые коэффициенты трансформации. Реле тока КА и токовая об-
мотка реле направления мощности KW1 и KW2 включаются на
разность токов вторичных обмоток трансформаторов ТА1 и ТА2. При
нормальном режиме работы и при внешних КЗ, например в точке К2,
токи в обеих линиях равны, ток через реле не протекает и защита не
срабатывает. Из-за погрешностей трансформаторов тока в действитель-
ности даже при нормальном режиме через реле протекает небольшой
ток небаланса, поэтому ток срабатывания реле выбирают больше тока
небаланса.
При КЗ на одной из линий в зоне защиты (между трансформаторами
тока присоединений линии к шинам подстанций А и Б), например в
точке К1, равенство токов в линиях нарушается: ток через выключатель
Q1 будет больше тока через выключатель Q2. Если разность вторичных
токов трансформаторов ТА окажется больше тока срабатывания реле
270
Рис. 4.17. Поперечная дифференциальная защита линии
КА, то оно сработает и (через контакты реле KW1 или KW2) отключит
поврежденную линию. Два реле направления мощности необходимы для
определения той линии, на которой произошло КЗ. Такая же защита
установлена со стороны шин подстанции Б.
Поперечная направленная токовая дифференциальная защита име-
ет две мертвые зоны: в начале линии и в конце. Мертвая зона по напря-
жению в начале линии обусловлена малым напряжением, подводимым
к реле мощности при близких трехфазных КЗ. Эта зона перекрывается,
как правило, токовой отсечкой. Мертвая зона по току в конце линии
связана с тем, что при КЗ вблизи шин противоположной подстанции
токи в линиях различаются незначительно и ток в реле КА оказывается
меньше тока срабатывания.
При двустороннем питании параллельных линий КЗ в мертвой зоне
по току отключается каскадно. Пусть, например, точка К1 расположена
271
вблизи выключателя Q3 в мертвой зоне поперечной защиты выключа-
телей Q1 и Q2. Поскольку КЗ произошло близко от выключателя Q3,
последний отключится под действием своей поперечной дифференци-
альной или какой-либо другой защиты. После его отключения ток КЗ
через выключатель Q2 протекать не будет и равенство токов в выключа-
телях Q1 и Q2 нарушается. Дифференциальная защита отключит вык-
лючатель Q1. Таким образом, выключатели Q3 и Q1 отключаются по-
очередно (каскадно).
При отключении одной из параллельных линий поперечная диффе-
ренциальная защита должна автоматически выводиться из работы, ина-
че она неселективно отключит неповрежденную линию. Это осуществ-
ляется вспомогательными контактами выключателей Q1 и Q2, включен-
ными последовательно с контактом реле КА Поэтому каждая из линий
должна иметь еще и резервную защиту. Поперечная дифференциальная
защита широко используется в сетях 35—110 кВ [17,19,24]. Примеры вы-
бора уставок дифференциальных защит линий приведены в [16, 17, 47].
4.6. Понятие о высокочастотных защитах
Высокочастотные защиты применяют, главным образом, на доста-
точно протяженных линиях напряжением ПО кВ и выше. Они являют-
ся быстродействующими и осуществляют логическую продольную связь
между защитами, установленными на разных концах линии, по высо-
кочастотному каналу. В качестве последнего используются провода за-
щищаемой линии или специальный кабель.
Измерительный орган защиты ИО (рис. 4.18) получает информацию
о режиме работы защищаемой линии от трансформатора тока ТА и
трансформатора напряжения TV. Логическая часть ЛЧ защиты сравни-
вает сигналы, полученные от своего ИО, с сигналами, получаемыми от
ИО противоположного конца линии и, в зависимости от результатов
сравнения, выдает или не выдает команду на отключение выключателя
своего присоединения. Передача сигналов на противоположный конец
линии и их прием осуществляются приемопередатчиками ПП, напри-
мер по каналу связи «фаза-земля», в котором в качестве прямого ис-
пользуется один из проводов защищаемой линии, а в качестве обратно-
го — земля. Приемопередатчик, работающий на фиксированной часто-
те в диапазоне от 50 до 300 кГц, присоединяется к линии через фильтр
ФП и конденсатор связи С. Для того чтобы сигналы приемопередатчи-
272
Рис. 4.18. Высокочастотная защита линии
ков данного участка линии не вышли за ее пределы, по концам линии
устанавливаются заградительные фильтры ЗФ.
В зависимости от выполнения логической части различают направ-
ленную защиту с высокочастотной блокировкой, дифференциально-
фазную высокочастотную защиту [16, 17, 48] и телеотключение (теле-
блокировку) [17, 28, 49].
Направленная защита реагирует на направление мощности по кон-
цам защищаемого участка. Измерительный орган ИО защиты срабаты-
вает лишь при направлении мощности от шин в линию (сплошные стрел-
ки на рис. 4.18), что соответствует повреждениям, находящимся в зоне
защиты между трансформаторами тока правого и левого концов линии,
например в точке К1. В этом случае ПП в работу не включается, а вык-
лючатели Q2 и Q3 отключаются. Если же повреждение произойдет вне
пределов зоны защиты, например в точке К2, то направление мощнос-
ти на правом конце линии изменится (штриховые стрелки). Измери-
тельный орган правого конца линии не сработает, и выключатель Q3 не
отключится, а приемопередатчик будет передавать на левый конец ли-
нии блокирующий сигнал. На левом конце линии ИО сработает, одна-
ко ЛЧ не отключит выключатель Q2, так как с противоположного кон-
ца линии поступил блокирующий сигнал.
Дифференциально-фазная защита сравнивает фазы токов по концам
защищаемой линии. Если принять за положительное направление то-
ков от шин в линию (сплошные стрелки на рис. 4.18), то при КЗ в зоне
защиты, например в точке К1 токи на концах линии совпадают по фазе,
а при КЗ вне зоны защиты, например в точке К2, они сдвинуты на 180°.
В течение положительного полупериода тока в линии работают пе-
редатчики на обоих концах линии и посылают на приемники как свое-
273
го, так и противоположного конца запрещающие сигналы. В течение
отрицательного полупериода тока передатчики не работают, следова-
тельно, запрещающих сигналов нет и защита может сработать.
Если повреждение произошло за пределами зоны защиты, напри-
мер в точке К2 (см. рис. 4.18), то фазы токов по концам линии сдвину-
ты на 180° и положительные полуволны этих токов во времени не со-
впадают. Поэтому в течение одного полупериода будет работать левый
передатчик, в течение второго — правый, следовательно, по линии не-
прерывно будет проходить высокочастотный сигнал, который блоки-
рует (запрещает действие) защиту на обоих концах линии. При КЗ в
зоне защиты, например в точке К1, фазы токов одинаковы и положи-
тельные полуволны их на концах линии во времени совпадают. По-
этому оба передатчика будут работать одновременно в течение одного
полупериода тока и не работать —- в течение другого. Высокочастот-
ный сигнал в линии будет прерывистым с паузами через каждый полу-
период промышленной частоты. Во время пауз блокирующий сигнал
исчезнет и защиты по концам линии отключат соответствующие вык-
лючатели.
Система телеотключения (телеблокировка) применяется в тех случа-
ях, когда зона действия защит на выключателях Q2 и Q3 меньше, чем
расстояние между концами защищаемой линии. Если, например, точка
К1 находится вблизи левого конца линии, то выключатель Q2 своей
защитой отключится, а защита на выключателе Q3 в этом случае не сра-
ботает из-за недостаточной чувствительности. Система телеотключения
исправляет этот недостаток. При срабатывании защиты на одном кон-
це линии приходит в действие передатчик этой защиты и передает на
другой ее конец сигнал, вызывающий отключение выключателя, защи-
та на котором не сработала. Такая система применяется в устройствах
защиты контактных сетей, причем в качестве линии связи используют-
ся каналы телемеханики. Приемопередатчик в этом случае работает на
фиксированной частоте в диапазоне 2—3 кГц [27, 28].
Панели с высокочастотной защитой. Для высокочастотной защиты
ЛЭП используются типовые панели типа ПДЭ2802, ПДЭ2802.01 произ-
водства ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод»; могут также
применяться микропроцессорные терминалы REL521, REL670.
Современный комплект защиты ШЗЛ-110-220, выпускаемый НТЦ
«Механотроника», предназначен для выполнения функций релейной
274
защиты и автоматики (включая управление выключателем) воздушных
линий в сетях ПО—220 кВ. Комплект состоит из двух шкафов
(800x600x2000 мм), которые устанавливаются на обеих сторонах защи-
щаемой линии.
Каждый полукомплект включает в себя два цифровых терминала РЗА —
основной и резервный. Дополнительно шкаф может быть укомплекто-
ван устройством центральной сигнализации типа БМЦС и ВЧ-аппара-
турой.
Питание цепей переменного тока каждого терминала может осуще-
ствляться от отдельных групп трансформаторов тока, а питание опера-
тивных цепей — через отдельные автоматические выключатели. Цепи
команд отключения терминалов могут подключаться к разным группам
электромагнитов выключателя.
Шкаф — односторонний, может быть размещен у стены, дверь шка-
фа снабжена ключом. Терминалы устанавливаются на дверь шкафа. Все
операции управления, контроля и конфигурирования терминалов (ввод
уставок, квитирование, чтение текущих электрических параметров сети)
могут быть выполнены при закрытой двери шкафа. Изменение конфи-
гурации терминалов защищено паролем.
На двери шкафа установлены ключи оперативного управления
(ввод/вывод защит и их отдельных ступеней, переключение цепей уп-
равления и аналоговых цепей и цифровые переключатели на восемь
положений). Цифровые переключатели предназначены для оператив-
ной смены конфигураций терминалов (по восемь программ на каж-
дый терминал) и режимов АПВ.
Доступ к клеммникам шкафа и терминалов, жгутам, испытательным
блокам и другому оборудованию возможен только при открытой двери
шкафа. Дверь снабжена фиксатором, шкаф имеет внутреннее освеще-
ние. Размещение элементов внутри шкафа — на задней и левой стенках
(«под правую руку»). На правой стенке шкафа нет никаких элементов.
Внутри каждого шкафа может размещаться блок управления и диаг-
ностики выключателя, а также ВЧ-аппаратура. Внешний вид шкафа по-
казан на рис. 4.19.
Терминал CSL-161R (основной) обеспечивает выполнение следую-
щих функций:
• быстродействующая направленная защита с передачей сигналов
на другой конец линии;
275
Рис. 4.19. Шкаф ШЗЛ-110-220
(вид спереди):
] — светодиоды индикации поло-
жения выключателя; 2, 9 — терми-
налы типов CSL-161R и CSL-162R;
3, 4— переключатели программ ус-
тавок и режимов АПВ; 5 ~ устрой-
ство типа БМЦС; 6, 7 — блинкеры
«Срабатывание» и «Отказ»; 8 — пе-
реключатели ввода/вывода функции
РЗА; 10 — светодиод «Вызов»
• резервная дистанционная защи-
та от междуфазных КЗ (три ступени);
• резервная дистанционная защита
от замыканий на землю (три ступени);
• АПВ (два цикла);
• управление выключателем (вклю-
чение, отключение);
• УРОВ.
Терминал CSL-162R (резервный)
выполняет следующие функции:
• токовая отсечка;
• дистанционная защита от меж-
дуфазных КЗ (три ступени) с возмож-
ностью ускорения;
• дистанционная защита от замы-
каний на землю (три ступени) с воз-
можностью ускорения;
• токовая направленная защита
нулевой последовательности (четыре
ступени) с возможностью ускорения;
• защита от несимметричных ре-
жимов;
• УРОВ;
• управление выключателем (толь-
ко отключение).
Быстродействующая направленная защита с передачей сигналов на
другой конец линии предназначена для отключения линии при всех
видах коротких замыканий в зоне действия защиты.
Защита использует аппаратуру связи (ВЧ, оптической, радио) для
приема и передачи разрешающих или блокирующих сигналов на дру-
гой конец линии. Логика работы защиты по отношению к принима-
емым сигналам может быть выбрана как разрешающая, так и блоки-
рующая.
Защита содержит следующие направленные органы:
• дистанционный орган от межфазных КЗ;
• дистанционный орган нулевой последовательности;
• токовый орган нулевой последовательности.
276
При срабатывании любого из направленных органов защита переда-
ет на другой конец линии разрешающий сигнал (или снимает блокиру-
ющий), переходит в режим ожидания сигнала с другого конца линии.
Если разрешающий сигнал с другого конца не получен (блокирую-
щий сигнал не снят), терминал переходит в режим дистанционной за-
щиты.
Оригинальный алгоритм обеспечивает автоматическое выявление
режима работы «конец со слабым питанием» и правильное действие за-
щиты в этом случае.
Дистанционная защита предназначена для отключения всех видов
КЗ на линии. Для защиты от многофазных КЗ контролируется сопро-
тивление между фазами, для защиты от замыканий на землю — сопро-
тивление фаза/земля.
Дистанционные органы выполнены направленными.
Настраиваемыми параметрами являются активное (RDZ) и реактивное
(XDZ) сопротивления. Диапазон уставок по сопротивлению от 0,1 до 200 Ом.
Уверенная работа защиты при близких КЗ обеспечивается алгорит-
мом памяти доаварийного напряжения. При включении выключателя
(по внешней команде или при АПВ) к диаграмме добавляется прямоу-
гольник, замкнутый вокруг начала координат.
Предусмотрены блокирующие органы обратного направления. Их
чувствительность автоматически выбирается большей, чем у органов
прямого направления, на 25 %.
Алгоритмом предусмотрены следующие пусковые органы:
• по приращениям фазных токов;
• по приращениям линейных токов (разностей фазных токов);
• по приращению тока нулевой последовательности.
Пусковые органы соединяются по схеме логического сложения
(«ИЛИ»).
Первая и вторая ступени дистанционной защиты могут работать как
с выдержкой времени (0.5 с для первой ступени, 1,0 с для второй), так и
без выдержки времени. Алгоритм предусматривает блокировку ступе-
ней без выдержки времени при качаниях и блокировку защиты при об-
рыве цепей напряжения.
Блокировка при качаниях в качестве информационных параметров
использует скорость изменения:
• междуфазного сопротивления;
• действующих значений фазных токов.
277
Оригинальный алгоритм обеспечивает правильную работу защиты в
любой точке энергосистемы (как при наличии близкого мощного ис-
точника питания, так и в разветвленных сетях с длинными ВЛ и мало-
мощными источниками). Алгоритм выполнен самонастраивающимся
(адаптивным), его настройка (даже в случае «сложной» нагрузки, на-
пример тяговых подстанций) нс требуется.
Блокировка при обрыве цепей напряжения в качестве информаци-
онных параметров использует:
• значения приращений линейных напряжений;
• сравнение суммы фазных напряжений и напряжения нулевой после-
довательности между собой;
• состояние блок-контакта автомата трансформатора напряжения.
Защита контролирует исправность токовых цепей; эта функция сра-
батывает только на сигнализацию.
Дистанционная защита от многофазных КЗ выполнена трехфазной.
Оба вида дистанционных защит (от многофазных КЗ и замыканий на
землю) имеют три ступени. Вторая ступень может ускоряться внешним
сигналом. Предусмотрено автоматическое ускорение дистанционной
защиты при АПВ.
Токовая направленная защита нулевой последовательности предназ-
начена для отключения однофазных замыканий на защищаемой линии.
Предусмотрен блокирующий орган обратного направления, чувстви-
тельность которого больше, чем у прямого. Ток срабатывания органа
обратного направления составляет 0,625 от тока срабатывания прямого
направления.
Ток срабатывания защиты задается в пределах от 0,1/ном до
2%1ом^ном н™ 5,0 А).
Ступени этой защиты, работающие без выдержки времени, а также
ускоряемые ступени блокируются при бросках тока намагничивания
трансформаторов, подключенных к линии.
Предусмотрено автоматическое ускорение действия защиты при
АПВ. Для первой ступени и ускоряемых ступеней при АПВ и ручном
включении вводится выдержка времени 0,1 с для того, чтобы отстро-
иться от неодновременного включения фаз выключателя.
При выявлении неисправности в цепях разомкнутого треугольника
терминал переводится в режим ненаправленной токовой защиты нуле-
вой последовательности.
278
Токовая отсечка предназначена для резервирования дистанционной
защиты при близких КЗ. Предусмотрены следующие логические функ-
ции при работе отсечки:
• автоматический ввод токовой отсечки на 0,1 с при включении вык-
лючателя (ручном или при АПВ) с последующим автоматическим вы-
ведением;
• блокирование АПВ при срабатывании токовой отсечки со сняти-
ем блокировки дискретным сигналом.
Отсечка выполнена ненаправленной в трехфазном исполнении. Диа-
пазон уставок по току от 0,3 до 307НОМ (7Н0М =1,0 или 5,0 А).
Защита от несимметричных режимов выполнена по оригинальному
алгоритму с контролем тока обратной последовательности. Отключе-
ние линии выполняется при:
• непереключении фаз выключателя;
• неполнофазном режиме (обрыве фазы).
Защита выполнена направленной, реагирующей на обрыв фазы толь-
ко на защищаемой линии.
Автоматическое повторное включение предусмотрено при срабаты-
вании защит от КЗ и при самопроизвольном отключении выключателя.
Имеются следующие режимы работы АПВ:
• контроль наличия напряжения на линии при низком напряжении
на шинах; контроль синхронизма (С^ > + Um <, КС);
• контроль низкого напряжения на линии при наличии напряжения
на шинах; контроль синхронизма (£^1 < + Ци >> КС);
• контроль низкого напряжения на линии; контроль синхронизма
(^л <,кс);
• контроль низкого напряжения на шинах; контроль синхронизма
(Цц<, КС);
• контроль наличия напряжения на шинах и на линии; контроль
синхронизма > + Ци >, КС);
• без использования контрольных органов (слепое).
Для контроля синхронизма и уровня напряжений по обеим сторо-
нам выключателя используются одно из фазных (линейных) напряже-
ний и аналоговый вход «Цх». Программно выбирается, какое напряже-
ние используется — фазное или линейное и какой именно фазы.
Алгоритмом предусмотрена возможность однофазного АПВ при сра-
батывании дистанционной защиты от замыканий на землю.
279
АПВ имеет два цикла: первый может быть выполнен как однофаз-
ное АПВ (ОАПВ) или трехфазное АПВ (ТАПВ), второй только как ТАПВ.
Количество циклов и характер первого цикла (с ОАПВ, без ОАПВ) мо-
гут быть выбраны программно.
Уставка по времени первого цикла АПВ регулируется в пределах от
0,25 до 100 с, второго цикла — от 2,5 до 160 с.
Предусмотрена блокировка АПВ по внешним сигналам. АПВ запре-
щается после ручного отключения.
Резервирование отказов выключателя. Пуск УРОВ может происходить
при срабатывании любой из защит от КЗ; поступлении сигнала от вне-
шних защит.
Пуск УРОВ должен быть подтвержден срабатыванием максималь-
ного токового органа УРОВ. Уставка токового органа УРОВ регулиру-
ется в пределах от 0,1 до 2 /ном (/ном = 1,0 или 5,0 А).
Пуск УРОВ происходит при срабатывании защит от КЗ, реализован-
ных в терминале или по внешнему сигналу. Наличие неотключенного КЗ
на линии контролируется по срабатыванию трехфазного органа макси-
мального тока. Срабатывание УРОВ происходит, если в течение заданно-
го времени условие, пустившее УРОВ, не было сброшено. Для возврата
УРОВ контролируется состояние блок-контактов выключателя и сраба-
тывание трехфазного органа минимального тока (ток срабатывания 0,05
/ном), отслеживающего погасание дуги между контактами выключателя.
Функция УРОВ действует на три независимых контакта, замыкаю-
щих цепи:
• отключения в систему шин;
• запрета АПВ шин;
• передачи сигнала на другой конец линии.
Управление выключателем. Терминалы CSL-161R и CSL-162R снаб-
жаются алгоритмами пофазцого и трехфазного управления выключате-
лем: включение производится по внешним командам или по алгоритму
АПВ, отключение — при срабатывании защит или по внешним коман-
дам. Управление выключателем с пульта терминала не предусмотрено.
Алгоритм управления включает:
• контроль положения выключателя;
• подхват команд управления выключателем;
• контроль исполнения команд выключателем;
• контроль готовности цепей включения и отключения (по внешним
сигналам);
• выявление самопроизвольного отключения.
280
4.7. Защиты от замыканий на землю
4.7.7. Понятие о защите от замыканий на землю сетей
с заземленной нейтралью
В сетях с заземленной нейтралью замыкание одной или двух фаз на
землю является коротким замыканием. Такие сети называют сетями с
большим током замыкания на землю, в них наибольшее распростране-
ние получила защита, реагирующая на ток и мощность нулевой после-
довательности. Ее достоинствами является относительная простота и то,
что она не реагирует на токи нагрузки, т.е. ее не нужно отстраивать от
токов нормального режима и перегрузок и можно выполнить более чув-
ствительной, чем защиты, реагирующие на фазные токи.
Токи нулевой последовательности при замыканиях на землю появ-
ляются в сети, где трансформаторы имеют заземленную нейтраль, при-
чем через обмотки трансформатора, если они не имеют заземленных
нулевых точек, ток нулевой последовательности со стороны одного на-
пряжения на сторону другого не проходит. Если заземлена нулевая точ-
ка трансформатора только с одной стороны линии, то при замыкании
на землю ток нулевой последовательности проходит на участке между
местом повреждения и заземленной нейтралью. В этом случае исполь-
зуется многоступенчатая (две, три или четыре ступени) максимальная
токовая защита нулевой последовательности, реле тока которой вклю-
чают в нулевой провод п схемы, приведенной на рис. 2.11, а.
Схема включения реле для трехступенчатой направленной защиты
от однофазного КЗ приведена на рис. 4.20, а. Реле тока KAI, КА2, КАЗ
в нулевом проводе п являются пусковыми органами соответственно
первой, второй и третьей ступеней защиты. В некоторых случаях на-
правленной выполняется только третья ступень. При этом в схеме на
рис. 4.20, б вместо контактов KW устанавливается перемычка, а кон-
такты KW включаются последовательно с контактами КАЗ пускового
органа третьей ступени.
Токи 3/0 , на которые реагируют все ступени защиты, относят к пер-
вичным обмоткам трансформаторов тока. Через реле КА защиты (в про-
воде п) протекает ток З/g/Xj., где К? — коэффициент трансформации
трансформаторов тока. Первая ступень защиты функционирует обыч-
но как токовая отсечка. В этом случае реле времени КТ1 не нужно и на
рис. 4.20, б вместо его воспринимающего органа КТ1, включенного пос-
ледовательно с контактами КА1, и контактов КТ1 ставятся перемычки.
281
а б
+ШС -ШС
Рис. 4.20. Схема включения трехступенчатой направленной защиты от одно-
фазных КЗ
Промежуточное реле KL в схеме защиты имеет увеличенное время сра-
батывания (задержка на срабатывание составляет около 0,1 с), это по-
зволяет отстроить первую ступень от неполнофазного режима, возни-
кающего при разновременном включении фаз выключателя. Ток сраба-
тывания l\
0,сз
первой ступени выбирают по условию:
0,сз отс 0
где 3/0 — утроенное значение максимального тока, протекающего через защи-
ту, при КЗ на землю за выключателем смежного участка (или на шинах проти-
воположной подстанции);
^отс коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле, влияние
апериодической составляющей, ошибки расчета и необходимый запас.
При определении 3/0 рассчитывают режимы однофазного и двухфаз-
ного КЗ на землю и принимают его наибольшее значение. Значение коэф-
фициента к^ при использовании реле тока РТ-40 или аналогичных при-
нимают: для линий 110—220 кВ — 1,3; для линий 330—500 кВ —1,4—1,5;
при использовании реле тока РНТ-560 для линий 330—500 кВ &отс=1,3.
Ток срабатывания 7*1 второй ступени выбирают по условиям со-
v у сз
гласования с первыми ступенями защит от КЗ на землю смежных линий:
>кк 3/’ ,
0,сз з ток 0,сз
282
где I* — ток срабатывания первой ступени защиты смежной линии, А;
0,сз
к3 — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,1;
к^ — коэффициент токораспределения (в схеме замещения нулевой пос-
ледовательности), определяемый как отношение 3Iq выб /370 см , в котором
3Z0 ВЫб — утроенное значение тока нулевой последовательности, протекающе-
го через трансформаторы тока защиты, для которой выбирается уставка;
370 см — то же для защиты смежной линии при однофазном замыкании в
конце зоны действия той защиты, с которой производится согласование,
Ток срабатывания /Р третьей ступени выбирается по условию от-
стройки от второй ступени защиты смежной линии, аналогично выбору
тока срабатывания второй ступени:
т!п *кк 37” ,
0,сз з отс 0,сз’
где /цсз “ ток срабатывания второй ступени смежной линии, А.
Кроме того, ток срабатывания третьей ступени должен быть
отстроен от тока небаланса трансформаторов тока, образующих трехтран-
сформаторный фильтр токов нулевой последовательности (см. п. 2.8) при
трехфазном КЗ за трансформатором приемной подстанции:
>к к I .
0,сз з пер нб,тах’
где /нб тах — наибольшее значение тока небаланса трехтрансформаторного
ФТНП, приведенное к первичной обмотке трансформаторов тока, вычисляе-
мое в соответствии с п. 2.8;
к3 — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,25;
А^ер — коэффициент, учитывающий увеличение тока небаланса в переходном
режиме, принимаемый равным 2; 1,5 или I при вьщержке времени ступени защи-
ты соответственно до 0,1 с, до 0,3 с и свыше диапазона значений от 0,5 до 0,6 с.
Коэффициент чувствительности для второй и третьей ступеней вы-
числяют по формуле
ЗЛ .
k — 0 mm
где 3/Omijn — утроенное значение минимального тока, протекающего через за-
щиту, при металлическом однофазном КЗ в конце защищаемой линии (для вто-
рой ступени) или в конце смежного участка (для третьей ступени).
283
Значение кч для второй ступени должно быть не менее 1,5, а при
наличии резервирования (третьей ступени) — не менее 1,3; для третьей
ступени значение к^ должно быть не менее 1,2.
Первая ступень защиты выполняется, как правило, без выдержки
времени; вторая и третья ступени имеют выдержку времени (реле КТ2 и
КТЗ на рис. 4.20, б) на одну ступень (0,5 с) больше, чем выдержки вре-
мени тех ступеней, от которых производится отстройка. Токи срабаты-
вания реле KAI, КА2 и КАЗ должны быть равны, очевидно, соответ-
ственно /J сз /Кт , 1^сз /Кт , / Ку , где — коэффициент транс-
формации трансформаторов тока.
Если линия делится на участки выключателями, то время срабаты-
вания защиты нулевой последовательности на каждом из них выбира-
ют как для максимальных токовых защит (см. п. 4.2).
К сети с большими токами замыкания на землю может быть под-
ключено несколько трансформаторов с заземленными нейтралями. Ток
нулевой последовательности разветвляется от места повреждения меж-
ду нейтралями обратно пропорционально сопротивлениям их ветвей.
Селективное действие защиты от замыканий на землю в этом случае
обеспечивается многоступенчатой максимальной направленной защи-
той нулевой последовательности. Такая защита выполняется с реле тока
(по числу ступеней) и одним реле направления мощности, в которой
цепи тока всех реле включаются в нулевой провод п схемы, приведен-
ной на рис. 2.11, л, а напряжение к реле направления мощности подает-
ся от трансформаторного фильтра напряжений нулевой последователь-
ности (выводы л1, х1 на рис. 2.21), подключенного к шинам. При таком
включении реле направления мощности KW реагирует на мощность
нулевой последовательности.
Для ускорения отключения замыканий на землю могут применяться
токовые отсечки нулевой последовательности. Принцип действия их тот
же, что и токовых отсечек, реагирующих на фазные токи.
Защиты нулевой последовательности широко используются в сетях
110 кВ и выше [16, 17, 41]. Методика определения уставок по току сра-
батывания и выдержкам времени, по определению коэффициентов чув-
ствительности приведена в [145]; пример расчета — в [139].
284
4.7.2. Однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной
нейтралью
Виды однофазных замыканий на землю (033). Основными видами 033
являются кратковременные пробои, «металлические» или «глухие» 033
без дуги, 033 через большие переходные сопротивления, дуговые 033.
Кратковременные неустойчивые пробои изоляции, как правило, яв-
ляются предвестниками устойчивых 033. Отдельные пробои могут иметь
длительность от 1 до 10 мс; пауза между пробоями может составлять от 1
до 15 минут. Переход от кратковременных пробоев до устойчивого 033
может иметь длительность от 1 минуты до нескольких суток и более.
Бездуговые «металлические» («глухие») 033 возникают при непосред-
ственной гальванической связи провода, у которого повреждена изоля-
ция, с контуром заземления опоры. С точки зрения защиты — это са-
мый простой случай. Токи и напряжения нулевой последовательности
при этом имеют наибольшую величину и синусоидальную форму.
033 через большие переходные сопротивления. При нарушении фаз-
ной изоляции провода его связь с землей может осуществляться через
сопротивление опоры. При обрыве и падении провода на сухую землю
переходное сопротивление может достигнуть значений 5—7 кОм. В ле-
сополосах касание голых проводов ветками деревьев создает 033 с пе-
реходным сопротивлением в несколько десятков килоом и более. На-
личие переходного сопротивления снижает значения напряжений и то-
ков нулевой последовательности и усложняет работу защиты, уменьшает
ее чувствительность иногда до полного отказа срабатывания.
Около 10 % 033 на ВЛ СЦБ имеют переходное сопротивление не
выше 100 Ом, примерно 50—60 % 033 происходят при величине 7?^ от
100 Ом до 100 кОм, 30—40 % случаев 033 — при в диапазоне от 100
до 1000 кОм.
Дуговые 033. Электрическая дуга возникает при пробоях и перекры-
тиях фазной изоляции. Достаточно часто 033 имеет характер следую-
щих друг за другом погасаний и повторных зажиганий электрической
дуги (перемежающаяся дуга). Такая дуга при загорании закорачивает
емкость поврежденной фазы, а при погасании как бы вновь подключа-
ет эту емкость к проводу. Возникающие при этом переходные процессы
вызывают в сетях с изолированной нейтралью перенапряжения, кото-
рые могут быть причиной повреждения изоляции другой фазы и появ-
ления двойных коротких замыканий на землю. Перемежающаяся дуга
285
искажает форму тока нулевой последовательности, в нем появляются как
высокочастотные составляющие, так в некоторых случаях и субгармони-
ки. Высокочастотные составляющие могут вызвать несслекгивную рабо-
ту защиты. Искаженная форма токов нулевой последовательности, про-
текая по рельсовой цепи, способна нарушить работу автоблокировки.
Основные соотношения для устойчивого 033. В сетях с изолированной
нейтралью замыкание на землю одной фазы не вызывает короткого замы-
кания. Такие сети называются сетями с малым током замыкания на землю.
Ток замыкания на землю, как правило, невелик. Тем не менее дли-
тельное протекание этого тока в месте повреждения может нарушить
изоляцию и замыкание на землю перерастет в междуфазное КЗ. Кроме
того, возрастание напряжения неповрежденных фаз относительно зем-
ли в у/З раз, которым сопровождается замыкание на землю, увеличива-
ет вероятность повреждения междуфазовой изоляции и появления двой-
ных замыканий на землю (замыкание на землю различных фаз в разных
точках сети). В последнем случае напряжения прикосновения достига-
ют недопустимых по условиям электробезопасности значений. Поэто-
му ток замыкания на землю в сетях 6, 10 и 35 кВ в соответствии с ПУЭ
не должен превышать соответственно 30, 20 и 10 А. Если ток замыкания
на землю превышает указанные величины, то нейтраль А трансформа-
тора заземляется через дугогасящую катушку (индуктивность), что ве-
дет к снижению емкостного тока.
При малых (5 А и менее) токах замыкания на землю допускается в
течение некоторого времени не отключать поврежденную линию, за
исключением ряда сетей (например, на торфоразработках, а также ВЛ
С ЦБ и линий продольного электроснабжения, прокладываемых по опо-
рам контактной сети), где по условиям электробезопасности или безо-
пасности движения поездов все однофазные замыкания должны немед-
ленно отключаться.
Замыкание на землю может быть глухим, однако, чаще всего оно
происходит через значительное переходное сопротивление. В последнем
случае напряжение поврежденной фазы до нуля не снижается, а в не-
поврежденных фазах оно возрастает менее чем в 7з раз. Поэтому в та-
ком режиме напряжение нулевой последовательности имеет величину
меньше фазного напряжения.
В установившемся режиме ток замыкания на землю содержит выс-
шие гармоники из-за несинусоидальности фазных токов, вызванной
токами намагничивания трансформаторов и нелинейной нагрузкой.
286
При замыкании фазы на землю возникает переходный процесс, свя-
занный с волновым характером разряда емкости поврежденной фазы и
заряда емкости неповрежденных фаз, при этом в кривой тока появля-
ются высокочастотные составляющие. Если замыкание носит переме-
жающийся характер (дуга в месте повреждения то зажигается, то гас-
нет), могут возникать значительные перенапряжения, опасные для изо-
ляции сети и потребителей.
Поскольку значение тока замыкания на землю /3, как правило, зна-
чительно меньше токов междуфазных коротких замыканий и даже мень-
ше токов нормального режима, то максимальные токовые защиты к току
/3 оказываются нечувствительными. Для контроля за наличием замы-
кания одной фазы на землю применяют неселективную сигнализацию,
а для защиты используют токовую защиту нулевой последовательнос-
ти, направленную защиту нулевой последовательности и ряд других
менее распространенных защит.
Рассмотрим векторные диаграммы сети с изолированной нейтралью
(рис. 4.21, а и б), полагая для упрощения, что нагрузка линии отключе-
на, а распределенные емкости фаз заменены сосредоточенными СА> С&
Сс В нормальном режиме напряжения фаз А, В и С по отношению к
земле равны UA, U& Uq Эти напряжения образуют симметричную звезду,
поэтому напряжение t/y нейтрали Nотносительно земли равно нулю. Фаз-
ные напряжения вызывают протекание токов через емкости СА, С& Сс.
Векторы этих токов опережают векторы соответствующих напряжений на
90° (рис. 4.21, б). Обычно принимают, что емкости СА, С^, С^фаз относи-
тельно земли одинаковы и равны С. Емкостное сопротивление фазы по
отношению к земле XQ = 1/соС. Это сопротивление во много раз больше
активного и индуктивного сопротивлений линии, поэтому при вычисле-
нии токов, протекающих через емкости фаз, последними пренебрегают.
Вэтомслучае 1^А = Lc •
Геометрическая сумма этих токов равна нулю, поэтому ток в земле в
нормальном режиме отсутствует.
При замыкании одной фазы, например фазы Л, на землю в точке КА
(рис. 4.21, в) напряжение ее относительно земли становится равным нулю.
Напряжение же двух неповрежденных фаз В и С относительно земли U's и
U'c становится равным напряжению этих фаз относительно фазы, замкнув-
шейся на землю: соответственно UBA и UCA (рис. 4.21, г). Из векторной ди-
аграммы видно, что напряжение нейтрали по отношению к земле
287
Рис. 4.21. Схемы соединений и векторные диаграммы при замыкании сети
с изолированной нейтралью на землю
288
Под действием напряжений U'B и U'c через емкости Св, и Сс (см.
рис. 4.21, в) протекают токи 1В и опережающие соответствую-
щие напряжения на 90°. Через емкость СА ток не течет, так как напря-
жение фазы А относительно земли равно нулю. Напряжения неповреж-
денных фаз относительно земли IL с =^Lca возрастают до
линейных, т.е. увеличиваются в у/З раз, поэтому токи U'B и fc также
увеличиваются в 7з раз по сравнению с токами 1В и Iq
Ток в фазе Л, он же ток /3 в месте повреждения (в точке К^) равен взятой
с обратным знаком геометрической сумме токов fB и fc (см. рис. 4.21, в).
Как следует из векторной диаграммы рис. 4.21, г, угол между векторами
и равен 60°. Поэтому модуль вектора 13 в раз больше, чем
модуль вектора £в или . Учитывая, что последние в свою очередь в
у/З раз больше емкостного тока фазы при нормальном режиме, получа-
ем при СА = Св — Сс = С:
L3 =Л =-<£в +tc>WS-A. (4.29)
Систему векторов U'B и U'c (см. рис. 4.21, г) можно разложить на
симметричные составляющие. Напряжение прямой последовательнос-
ти при этом будет равно напряжению фазы UA (UB, Uc) по отношению к
земле при отсутствии замыкания на землю. Напряжения обратной пос-
ледовательности отсутствуют, а напряжения нулевой последовательно-
сти UqA = UqB = Uqc Равны —Дфт*е* взятому с обратным знаком напря-
жению, которое имеет поврежденная фаза в нормальном режиме. От-
сюда следует, что напряжения в линии при замыкании одной фазы на
землю можно найти, если принять, что на систему векторов напряже-
ний нормального режима UA, UB, Uc накладывается система напряже-
ний нулевой последовательности U$A = U$B = UqC = С/q. Векторная ди-
аграмма при этом соответствует рис. 4.21, е.
В этом случае вместо схемы, приведенной на рис. 4.21, в, получим
схему, показанную на рис. 4.21, д, в которой глухое короткое замыкание
289
в точке замещено тремя источниками напряжения нулевой после-
довательности Uq, подключенными между точками К^, Кд, Кс, распо-
ложенными на одинаковом удалении от источника питания, и землей.
Ток нулевой последовательности /д равен:
/0 = —~ = -Уш CU0 = > CUA (4.30)
~]ЛС
Для тока /3 в месте повреждения имеет место соотношение /3 = 3/q.
Подставив сюда значение Iq из формулы (4.30), получим формулу (4.29).
Токи 7q и /3 отстают от вектора Uq на угол 90е и на такой же угол опережают
вектор U^.
Из схемы видно, что ток нулевой последовательности 7g в одиноч-
ной линии протекает только на участке между сосредоточенными ем-
костями СА, Сд, Сс и местом короткого замыкания. На головных же
участках между источником питания и теми же емкостями ток нулевой
последовательности в одиночной линии не протекает. Следовательно,
если к шинам источника питания присоединена только одна линия, то
защиту, реагирующую на ток нулевой последовательности, устанавли-
вать на выключателе этой линии нельзя, поскольку ток нулевой после-
довательности на головном участке линии отсутствует.
Если же к шинам источника питания подключены не одна, а несколь-
ко отходящих линий, то картина меняется. На рис. 4.21, ж приведена
схема питания с двумя отходящими линиями 1 и 2 при замыкании од-
ной фазы линии 1 на землю. Место замыкания на землю замещено тре-
мя источниками напряжения нулевой последовательности Uq. Как и при
одиночной линии (см. рис. 4.21, д), ток нулевой последовательности
проходит на участке между сосредоточенными емкостями поврежденной
линии и местом повреждения. Но при двух линиях (см. рис. 4.21, ж) этот
ток Iq в земле раздваивается. Часть тока (7^) проходит через емкости С\
своей линии 1, а другая часть тока (Z02) проходит через емкости С2 второй
линии и через шины источника возвращается к месту повреждения по
линии 1. При нескольких линиях ток нулевой последовательности на го-
ловном участке поврежденной линии будет определяться суммарной ем-
костью относительно земли всех линии, присоединенных к шинам дан-
ного источника, за вычетом емкости данной (поврежденной) линии.
Таким образом, если к шинам подключено всего п отходящих линий
и у одной из них повреждена изоляция какой-либо фазы, то по голов-
290
ному участку этой линии протекает утроенное значение тока нулевой
последовательности 13 пов, абсолютное значение которого вычисляют
по выражению:
(4-31)
где / — номер отходящей линии;
п — число отходящих линий;
Q — собственная емкость фазы относительно земли /-й (неповрежденной)
линии, Ф;
Спов ““ собственная емкость фазы относительно земли рассматриваемого
присоединения, Ф;
суммарная емкость фазы относительно земли всей электрически свя-
занной сети, состоящей из п линий, Ф;
““ — суммарная емкость относительно земли одной фазы
иум иум JIUB * Л
всей электрически связанной сети за вычетом собственной емкости того при-
соединения, для которого рассчитывается защита, Ф;
С3 — емкость дополнительного конденсатора (если он установлен в начале
линии между фазой и землей), Ф;
/7ф — фазное напряжение питания, В;
и — линейное напряжение питания, В.
Выражение (4.31) можно представить в виде:
I +С -С ) = / -/ , (4.32)
з,пов \ сум з пов/ с,рез с,пов’ х '
где 1С рез — результирующий емкостной ток всей электрически связанной сети
(всех присоединений), А;
Z3 лов — собственный емкостной ток присоединения, на котором рассчи-
тывается защита, А.
По аналогии с выраженем (4.31) для абсолютных значений токов
Л 4 ь I? ппп очевидно имеем:
П
I ^ЗтилУс.+С ), I .=y/3wUC., I =J3(HUC . (4.33)
с,рез i з7’ с,/ г с,пов пов ' '
/=1
При 033 через переходное сопротивление напряжения нулевой после-
довательности Uq снижается. В такой же пропорции уменьшаются и токи
291
нулевой последовательности. Однако фазовый угол между и токами при
033 как для поврежденного, так и для неповрежденных присоединений
остается неизменным. Вектор тока нулевой последовательности в непов-
режденном присоединении отстает от вектора напряжения Цр а в повреж-
денном присоединении на такой же угол опережает это напряжение.
Снижение напряжения Uq и токов нулевой последовательности при
наличии в месте 033 переходного сопротивления оценивают с помо-
щью коэффициента полноты замыкания, абсолютное значение которого
вычисляют по формуле
U, 1
= <4-34)
Ф.ном 1 + (зшс R j
у \ сум пер /
где Ссум — суммарная емкость одной фазы электрически связанной сети, Ф;
Янср — переходное сопротивление в месте 033, Ом;
£/ф ном — номинальное фазное напряжение, В.
Если в начале одиночной линии или на шинах, к которым присое-
динены несколько отходящих линий, между каждой фазой и землей
подключен конденсатор с емкостью С3 (рис. 4.22 и рис. 4.23), то значе-
ние коэффициента полноты замыкания b вычисляют по формуле
» = ——- = 1 (4.35)
/^(Ссум+сз>яп1р?
Рис. 4.22. Неселекгивная защита (сигнализация) напряжения нулевой после-
довательности
292
6-10 кВ
Рис. 4.23. Схема подключения конденсаторов
Емкости линий и емкостные токи замыкания на землю. Собственная
емкость относительно земли одной фазы CJl=Ci (в том числе Q=Cn0B)
любого z-го присоединения, Ф, может быть вычислена как
т
п
с л I -
каб,(? каб,£
(4-36)
>
где cBj , скаб — удельные емкости одной фазы относительно земли воздуш-
ных проводов и кабелей соответственно нау-м и ^-м участках /-й линии, Ф/км;
ZB у, /каб^ Длина соответственноу-го и #-го участков /-й линии, км;
kcj — коэффициент увеличения емкости для воздушной линии (ВЛ), рас-
положенной на опорах контактной сети, при наличии на опоре заземленных
проводов, например экранирующего (обратного) провода, принимаемый рав-
ным 1,22, а если заземленных проводов нет, то — 1.
Для воздушных линий значение св вычисляют по упрощенной фор-
муле, Ф/км:
181п
10-6
в
(4.37)
+ 1 103
где Лср — средняя геометрическая высота подвески проводов, м;
Рср — среднее геометрическое расстояние между проводами, м;
dn — диаметр провода, мм.
293
Значения Лср и Лср определяют по формулам:
h = 3lh.h^h~9 D =
ср V 1 2 3’ ср V 12 13 23 ’
где Aj , — высота подвеса соответственно первого, второго и третьего
проводов за вычетом 2/3 стрелы провеса, м;
^12 5 ^13’ ^23 “ расстояние соответственно между первым и вторым, пер-
вым и третьим, вторым и третьим проводами, м.
Значения св и скаб приведены соответственно в таблицах 4.1 и 4.2.
Таблица 4.1
Марка проводов Удельная емкость св, нФ/км (свх10 9 Ф/км), воздушной линии при средней высоте подвеса проводов, м
5 7 9
АС-25, АС-35 4,4 4,1 3,9
АС-50, АС-70 4,5 . 4,2 4,0
Таблица 4.2
Номинальное сечение жил, мм2 Расчетные значения емкости одной фазы на землю с^5, нФ/км (скабхЮ 9 Ф/км), для трехжильных кабелей с поясной изоляцией и секторными жилами (е'каб) и для одножильных и трехжильных кабелей с отдельно изолированными свинцом или алюминием жилами (с"каб) при напряжении, кВ
6 10
с каб каб С каб ь каб
25 137 32 109 26
35 158 37 142 30
50 183 43 165 35
70 214 49 183 40
95 247 56 192 45
120 278 62 215 49
150 311 67 238 54
185 343 74 262 59
240 383 83 292 66
Суммарную емкость Ссум, Ф, электрически связанной сети, состоя-
щей из п линий, присоединенных к общим шинам без разделительных
трансформаторов, определяют по формуле:
294
(4.38)
в которой значения Ц ,...,СЛ вычисляют по формуле (4.36).
Если к этим же шинам между каждой фазой и землей подключены кон-
денсаторы с емкостью С3 (см. рис. 4.22 и рис. 4.23), то результирующую
емкость Срез электрически связанной сети вычисляют по формуле, Ф:
(4.39)
в которой Ссум находят по выражению (4.38).
Абсолютное значение емкостного тока Ic t /-го присоединения (/-й
линии), в том числе линии, для которой рассчитывается уставка защи-
ты от 033 (L i=L вычисляют по формуле, А:
х CjIIUjD' ' * 7
I .=3(оих.=>/3(йи С., (4.40)
С,1 Ф I НОМ I ’
где 1/ф — фазное напряжение линии, В;
£/ном “ номинальное (линейное) напряжение линии, В;
Q =СЛ — собственная емкость одной фазы линии (присоединения) отно-
сительно земли, вычисляемая по формуле (4.36), Ф;
со — угловая частота, принимаемая для частоты 50 Гц равной 314 с"1.
Если сведения о емкости рассматриваемых присоединений отсутству-
ют, допускается определять значение тока Z . по формуле, А:
с,*
I .=il ,+i J R (4.41)
с,/ в в,/ каб каб, г ' '
где /в, /каб — соответственно удельный емкостной ток собственно воздушных и
кабельных участков линии, А/км;
/» 4саб i соответственно длина воздушных и кабельных участков f-й ли-
нии, км.
Приближенное значение тока /в для ВЛ можно вычислять по эмпи-
рической формуле, А/км:
i
в
= 2,7117 -10-3,
’ ном ’
(4.42)
где — номинальное (линейное) напряжение ВЛ, кВ.
В качестве ориентировочных значений удельного емкостного тока /в
дая воздушных линий принимают 0,013 А/км при номинальном напря-
жении 6 кВ, 0,026 А/км при 10 кВ и 0,078 А/км при 35 кВ.
295
Значения для кабельных линий приведены в табл. 4.3, где значе-
ния /каб = Лкаб относятся к трехжильным кабелям с поясной изоляцией и
секторными жилами, а /каб = — к одно- и трехжильным кабелям с
отдельно изолированными свинцом или алюминием жилами.
Таблица 4.3
Номинальное сечение жил, мм2 Удельные значения емкостных токов, А/км, замыкания на землю кабелей при напряжении, кВ
6 10
-/ 1 каб i" к •/ 1 каб i" • каб
25 0,447 1,045 0,593 1,415
35 0,516 1,208 0,675 1,632
50 0,597 1,404 0,773 1,904
70 0,699 1,600 0,898 2,177
95 0,806 1,828 1,045 2,449
120 0,908 2,024 1,170 2,666
150 1,015 2,187 1,295 2,938
185 1,140 2,416 1,426 3,210
240 1,250 2,710 1,589 3,591
В ориентировочных расчетах вместо формулы (4.41) используют при-
ближенную зависимость:
/ .+35л/ л.
_______каб,*
350 ном
(4.43)
где п — число параллельно соединенных кабелей в одном присоединении;
(/ном ~~ номинальное напряжение линии, кВ.
Если z-я трехфазная воздушная линия протяженностью /с i на длине
/ • проложена по опорам контактной сети, на которых размещен экра-
нирующий (обратный) провод, либо трос группового заземления, при-
соединенный к рельсам наглухо (без искровых промежутков и диодных
заземлителей), то удельные значения св и /в на этом участке длиной lBj
следует умножить на коэффициент £с=1,22, а в числитель формулы (4.43)
добавить слагаемое 0,22 L }.
Абсолютное значение суммарного тока /с сум электрически связан-
ной сети, состоящей из п линий, присоединенных к общим шинам без
разделительных трансформаторов, определяют по формулам, А:
296
= yfi(j)U С = 7 .+... + 7 .+... + 7
с,сум ном сум с,1 с,/ с,п
п
i-1
(4.44)
в которой значение Ссум определяют по формуле (4.38), а значения то-
ков 1С 1, ..., 1С п вычисляют по формулам (4.41) или (4.43).
Если к этим же шинам между каждой фазой и землей подключены
конденсаторы с емкостью С3 (см. рис. 4.22 и рис. 4.23), то результирую-
щее значение емкостного тока 7 3 всей электрически связанной сети
вычисляют по выражению, А:
/ =1 +a/3co£Z С.
с,рез с,сум ном з
(4.45)
Абсолютное значение тока 73 пов на головном участке линии с 033
вычисляют по формулам, А:
= V3wZ7 (С +С -С ) = I +Ji(oU С -I
з,пов номх сум 3 пов7 с,сум НОМ 3 с,пов
(4.46)
в которой значения Ссум находят по формуле (4.38), Спов — по форму-
ле (4.36), 1С сум — по формуле (4.44) и 1С пов =7С z — по формулам (4.40),
(4.41), или (4.43).
Пример 4.1. Определить значение удельной емкости св для трехфазной
воздушной линии с проводами АС-95. Провода расположены по вершинам треу-
гольника с расстоянием между каждой парой 1 м. Высота подвеса двух проводов
7 м, высота подвеса одного провода 7,8 м. Стрела провеса/= 1 м. Дополнитель-
ный конденсатор между фазой и землей не установлен (С3 ~ 0).
Провод АС-95 имеет диаметр dn =13,5 мм. Среднее геометрическое рассто-
яние между проводами 2>ср =1 м. Высота подвеса двух проводов с учетом стре-
лы провеса
А =Л =7-—/ = 7-—-1 = 6,33 м;
1 2 3 3
высота подвеса третьего провода
h = 7,8- —-1 = 7,13 м;
3 3
средняя геометрическая высота подвеса
h = З/ЛЛА = ^6,ЗГ 6,33-7ДЗ = 6,6 м.
ср у 1 2 3 v
297
Значение удельной емкости провода относительно земли св находим по
формуле (4.37);
с
в
Ф/км.
Пример 4.2. К шинам, получающйм питание от обмотки трансформатора с
линейным напряжением 10 кВ, подключены фидеры двух ВЛ (провода АС-35)
длиной соответственно ZbJ =15 км (высота подвеса проводов 9 м), = 25 км
(высота подвеса проводов 7 м) и одна КЛ длиной ZKa63 =5 км (трехжильный
кабель с секторными жилами сечением 50 мм2). Определить токи замыкания
на землю /3 пов1,13 пов2, /3 повЗ ПРИ 033 на каждой из линий.
Конденсаторы между фазой и землей отсутствуют (С3 =0).
Удельные емкости одной фазы относительно земли для этих линий нахо-
дим по таблицам 4.1 и 4.2: св1=3,9 нФ/км; св2===4,1 нФ/км; ^^3=142 нФ/км.
По формуле (4.36) находим для каждой линии собственную емкость фазы
на землю:
С =с I = 3,9-Ю-9 15 = 58,5-Ю-9 Ф;
с =с / = 4,1-Ю-9-25 = 102,5-10-9 Ф;
2 в в2
С =с I = 142-Ю-9-5 = 710-Ю-9 Ф.
3 каб кабЗ
Суммарную емкость Ссум одной фазы на землю для всех трех электрически
связанных линий находим по формуле (4.38):
С =£с.=с, + С_+С'=(58,5 + 102,5 + 7Ю)-Ю-9 = 87110"9ф,
сум y_j /12 3
Если фазная изоляция первой линии повреждена, то в соответствии с фор-
мулой (4.46) абсолютное значение ее тока замыкания на землю равно:
/ , =>/ЗсоСЛ (С +С -С ) = Л-314-10 500-(871+ 0-58,5)-10-9 = 4,64 А.
Если повреждена фазная изоляция второй линии, то ее ток замыкания на землю
/ =73ш// (С +С -С ) = л/3-314-Ю500-(871 + 0-Ю2,5)-Ю-9 =4,39 А.
з,пов2 ном сум 3 пов
298
При повреждении фазной изоляции на третьей линии ее ток замыкания на
землю
I =Л®и (С +С -С ) = 7з-314-10500-(871 + 0-710) l0“9 =0,93 А.
з,повЗ ном сум 3 ПОВ v / ,
Этот же результат можно получить иначе. Зная значения Ср С2 и С3, по
формуле (4.40) находим собственные емкости токов линий:
Icl=^/3a>UCi = >/з-314-10500-58,5-Ю-9 =0,34 А;
I , =>/Зо)С7С =х/3-314-10500-102,5-10-9 =0,59 А;
I ,=V3cot7C, = л/3-314-10500-710-10“9 =4,05А.
с,3 3
Суммарный емкостный ток всей сети
I =1 .+Z .+1 = 0,34 + 0,59 + 4,05 = 4,98 А.
с,сум с,1 с,2 с,3 ’ ’ ’ ’
По формулам (4.46) при С3 =0 находим:
з,пов1
= 1 -I =4,98-0,34 = 4,64 А;
с,сум С,1
з,пов2 с,сум с,2
= 4,98-0,59 = 4,39 А;
з.повЗ
= / -I = 4,98-4,05 = 0,93 А.
с,сум с,3
Пример 4.3. Для условий примера 4.2 определить значения коэффициента
полноты замыкания и напряжение на выводах вторичных обмоток измеритель-
ного трансформатора напряжения, включенных в разомкнутый треугольник,
полагая, что переходное сопротивление в месте 033 составляет 5 кОм. Сум-
марная емкость одной фазы на землю всей сети Ссум = 871-10“^ ф,
По формуле (4.34) находим:
b = -= . = 0,237.
2 I ч2
,1+3<оС R | . 1+ 3-314-871-10"9-5-Ю3)
V \ сум пер / V \ /
Емкостные токи первого, второго и третьего присоединений при этом бу-
дут равны соответственно
1=^
3,ПОВ1 3,ПОВ1
= 0,237 -4,64 = 1,10 А;
299
з,пов2
з,повЗ
= Ы „ =0,237-4,39 = 1,04 А;
з,пов2 *
= Ы , =0,237-0,93 = 0,22
з.повЗ
А.
Напряжение на выводах обмотки измерительного трансформатора напряже-
ния, включенной в разомкнутый треугольник, при «глухих» 033 равно 100 В. При
033 через переходное сопротивление 5 кОм оно составит 100£> — 100*0,237 = 23,7 В.
4» 7.3. Основные виды защит от однофазных замыканий
на землю сетей с изолированной нейтралью
В электрических сетях различного назначения могут использоваться
следующие виды защит от 033:
• защиты, основанные на фиксации уровня напряжения нулевой
последовательности (неселективная защита напряжения нулевой пос-
ледовательности) ;
• защиты, измеряющие ток нулевой последовательности основной
частоты (токовая защита нулевой последовательности);
• направленные защиты, измеряющие одновременно напряжение и
ток нулевой последовательности основной частоты (направленная за-
щита нулевой последовательности);
• защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе
нулевой последовательности в стационарном или переходном режиме;
• защиты, реагирующие на электрические величины переходного
процесса при 033;
• защиты, реагирующие на наложенный ток с частотой, не совпада-
ющей с промышленной;
• комбинированные защиты, реагирующие на несколько признаков.
Защита, фиксирующая уровень напряжения нулевой последовательно-*
ста, выполняется с помощью термоустойчивых реле максимального на-
пряжения KV (например типа РН-53/60Д), подключенного к выводам
вторичной обмотки измерительного трансформатора TV, соединенной
в разомкнутый треугольник (см. рис. 4.22). Такая схема соединений обра-
зует фильтр напряжений нулевой последовательности (ФННП). В иде-
альном случае напряжение , подводимое к реле KV, при исправной
изоляции линии равно нулю, а при «глухом» замыкании одной фазы на
землю составляет 100 В.
Если выбрать уставку t/cp реле максимального напряжения KV рав-
ной, например 15 В, то при 033 реле сработает и подаст команду на
300
сигнал или отключение. Такая защита (или сигнализация) является не-
направленной. При нескольких присоединениях к шинам она фикси-
рует факт возникновения 033, однако не способна определить, на ка-
ком именно присоединении произошло повреждение, поэтому в каче-
стве защиты такое устройство может быть использовано лишь при одной
отходящей линии, например для ВЛ СЦБ. В остальных случаях она при-
меняется для общей сигнализации о возникновении 033.
Если линии Л1, Л2 (см. рис. 4.22) проходят по опорам контактной
сети постоянного тока или на небольшом удалении от нее, то в прово-
дах ВЛ наводятся потенциалы нулевой последовательности с гармони-
ками 300 Гц и выше. Они создают на выводах al—xl вторичной обмотки
трансформатора напряжения TV, соединенной в разомкнутый треуголь-
ник, напряжение небаланса, которое может вызвать ложное срабатыва-
ние защиты. Для подавления этой составляющей небаланса достаточно
подключить последовательно к реле KV (см. рис. 4.22) контур LC (пока-
зано пунктиром), настроенный в резонанс на 50 Гц, или какой-либо дру-
гой полосовой фильтр или фильтр нижних частот.
Если линии Л1, Л 2 проходят по опорам контактной сети переменного
тока или на небольшом удалении от нее, то в проводах ВЛ наводится
потенциал нулевой последовательности основной частоты, который
создает на выводах al—xl обмотки трансформатора напряжения TV со-
ставляющую напряжения небаланса основной частоты. Это напряже-
ние небаланса может достичь такого значения, при котором защита (сиг-
нализация) становится неработоспособной. Снижение этой составля-
ющей позволяет выбрать более низкое значение срабатывания С/ср и,
следовательно, обеспечить работоспособность и чувствительность за-
щиты (сигнализации).
В тех случаях, когда из-за электромагнитного влияния контактной
сети напряжение небаланса основной частоты на выводах al— xl слиш-
ком велико, следует предусмотреть установку конденсаторов С3 на ши-
нах линии ПЭ (или в ячейке выключателя ВЛ СЦБ) между каждой фа-
зой и землей (на рис. 4.22 показаны пунктиром).
Выбор уставки. Защита (сигнализация) осуществляется с помощью
реле максимального напряжения KV, напряжение срабатывания {7ср
которого следует выбирать как можно меньшим; однако, реле не долж-
но срабатывать при наибольших значениях напряжения небаланса на
выводах обмотки al— xl трансформатора напряжения. Условие выбора
напряжения срабатывания (по вторичной стороне ФННП) имеет вид:
301
^ср ~ ^отс (^Нб1 + ^нб2)’
(4.47)
где kQTC — коэффициент отстройки (1,2—1,3);
£7нб| — составляющая напряжения небаланса, принимаемая равной от 3 до 9 В;
£7Нб2 — составляющая напряжения небаланса при отсутствии 033, обуслов-
ленная электромагнитным влиянием контактной сети, В.
Значение Ucp принимают как наименьшее из возможных, отвечаю-
щих условию (4.47), но не менее 10 В.
Напряжение небаланса 11^2 Д™ ВЛ, проходящих вдали от электри-
фицированных железных дорог и не имеющих протяженного сближе-
ния с ВЛ более высокого напряжения, не учитывают (^нб2 = 0).
Выбранное по условию (4.47) напряжение срабатывания £7ср реле KV
проверяется на обеспечение коэффициента чувствительности по ус-
ловию
к
100-U
нбЗ
(4.48)
ч
где Z7cp — напряжение срабатывания реле KV, выбранное по условию (4.47), В;
^нбЗ — напряжение небаланса при наличии 033 на ВЛ, обусловленное элек-
тромагнитным влиянием контактной сети, В.
Для ВЛ, проходящих вдали от электрифицированных железных до-
рог и не имеющих протяженного сближения с ВЛ более высокого на-
пряжения, напряжение небаланса не учитывают =
Защита отвечает требованиям ПУЭ по чувствительности, если вы-
полняется условие
(4.49)
где кчи — нормативное значение коэффициента чувствительности.
В соответствии с ПУЭ принимают к^ =1,5 для воздушной линии и
£чн=1,25 для кабельной.
Для ВЛ, подверженных электромагнитному влиянию контактной
сети электрифицированных железных дорог, определение напряжений
небаланса защиты и ^нбЗ рассматривается ниже в п. 11.3.
При выбранном значении напряжения срабатывания J7cp находят
наибольшее значение переходного сопротивления 7^^ в месте 033, при
котором еще обеспечиваются требования чувствительности защиты (сиг-
нализации), по любому из двух выражений, Ом:
302
100-1-
ср чн нбЗ
100
пе=Р Зсо(С +С ){U к +U К1
v сум 37 ср чн нбЗ
Up ЧП у
Зсо(С +С )
v сум 37
пер
(4.50)
где 17cd — напряжение срабатывания реле KV, определенное по условиям (4.47)
и (4.48), В;
Ссум — суммарная емкость электрически связанной сети, определяемая по
формуле (4.38), Ф;
С3 — емкость конденсаторов (см. рис. 4.22), если они установлены между
каждой фазой ВЛ и землей, Ф.
Пример 4.4. От РУ-10 кВ подстанции получают питание две ВЛ (провода
АС-35) длиной соответственно /в1 = 15 км (высота подвеса проводов 9 м) и
/^'2 ~ 25 км (высота подвеса 7 м), а также КЛ длиной /каб3 = 5 км (трехжильный
кабель с секторными жилами сечением 50 мм2). Суммарная емкость Ссум од-
ной фазы на землю для всех трех электрически связанных линий равна
ССум=871-10“9 Ф (см. пример 4.2). Конденсаторы между фазами ВЛ и землей
не установлены (С3 =0).
Выбрать уставку реле напряжения KV (см. рис. 4.22) для неселективной сиг-
нализации от 033.
Принимаем £/нб1 =9 В, C^62 ^^нбЗ =0. Находим напряжение срабатывания
реле KV по условию (4.47):
^ср * *отс (Ц,б1 + ад = + °)= И.7 в.
Принимаем уставку реле KV Z7cp=15 В.
По формуле (4.48) находим
100-ад юо-о
и 15
ср
Требование ^>1,5 выполняется, следовательно, сигнализация при 033 обес-
печивает требование чувствительности.
Определяем наибольшее значение переходного сопротивления 7?пер, при ко-
тором обеспечиваются условия чувствительности (к^ =1,5), по формуле (4.50):
303
R
пер
(и к +U„Y
100- II- ср чн нб3
V I 100 >
" ЗО)(С + С )(U к + U 1
сум з ср чн нбЗ
3-314(871 + 0)-10~9-(151,5 + 0)
= 5278 Ом.
Токовая защита нулевой последовательности подключается к фильтру
токов нулевой последовательности защищаемого присоединения. Схе-
ма фильтра для ВЛ 35 кВ приведена на рис. 2.19, а для ВЛ 6—10 кВ на
рис. 2.20.
Токовая защита нулевой последовательности может применяться
только в тех случаях, когда к общим шинам подключено достаточно
большое число фидеров, как правило десять и более. В этом случае при
033 на одном из присоединений по нему будет протекать ток нулевой
последовательности, обусловленный суммарной емкостью относитель-
но земли всех присоединений к данным шинам за вычетом собствен-
ной емкости фидера с 033. По каждому из остальных присоединений
будет протекать ток нулевой последовательности, обусловленный толь-
ко его собственной емкостью. Таким образом, при большом числе при-
соединений значение тока нулевой последовательности в поврежден-
ном фидере существенно превосходит значение токов нулевой после-
довательности в каждом из остальных фидеров, что и является приз-
наком, по которому можно определить, на каком из присоединений ока-
залось 033.
В этом смысле защита является направленной. Однако при малом
числе присоединений она не обеспечивает требуемое значение коэф-
фициента чувствительности и поэтому не может быть применена в та-
ком виде. Положение меняется, если к шинам между каждой фазой и
землей подключить конденсаторы с емкостью С3 (см. рис. 4.23).
Емкость этих конденсаторов как бы имитирует емкость несуществу-
ющих присоединений и должна быть достаточной для обеспечения тре-
буемого значения тока нулевой последовательности в поврежденном
фидере. Следует, однако, иметь в виду, что дополнительная емкость сни-
жает коэффициент полноты замыкания b и то значение переходного
сопротивления Апер, при котором наступает отказ защиты.
Конденсаторы должны быть оборудованы разрядными сопротивле-
ниями, однако, если подключение конденсаторов осуществляется па-
раллельно трансформатору напряжения (трансформаторному ФННП)
304
без коммутационных аппаратов, то такие сопротивления не нужны.
Могут быть использованы конденсаторы типов КМ-2, КСК, КЭК1,
КЭК2, КЭС1, КЭС2 соответственно на 6,3 и 10,5 кВ.
При необходимости применить токовую защиту нулевой последова-
тельности на линии, подключенной к шинам через трансформатор с
изолированной нейтралью, конденсаторы присоединяются между вы-
водами трансформатора (со стороны защищаемой линии) и трансфор-
матором тока нулевой последовательности ТА.
Если для работы защиты необходима уставка /сз при нормативном
значении коэффициента чувствительности Ачн (для ВЛ fcqH= 1,5, для КЛ
^=1,25), то емкость С3 определяют по условию, которое может быть
представлено в трех видах, мкФ:
3
ЧН СЗ 3,ПОВ . ~6
3 Лии
ном
к I +1 — I
чн сз с,пов с,сум
Лии
ном
106,
(4.51)
где Z7HOM — линейное (номинальное) напряжение сети, В;
Z3 пов емкостный ток рассматриваемого присоединения при возникнове-
нии на нем 033, вычисляемый по формуле (4.32) при минимально возможном
числе включенных других присоединений и при С3 = О, А;
7С сум — суммарный емкостный ток всей электрически связанной сети (всех
присоединении) при минимально возможном числе включенных присоедине-
ний, вычисляемый по формуле (4.45), А;
Z пов — собственный емкостный ток рассматриваемого присоединения
(/с пов= 1Сz), вычисляемый по формуле (4.40), А;
’ Ci — емкость фазы относительно земли z-го присоединения, Ф;
Спов= Q — емкость фазы относительно земли присоединения, для которо-
го выбирается уставка защиты, Ф;
к3 — коэффициент запаса (от 1,2 до 1,5);
п — число присоединений к общим шинам.
Токовую защиту нулевой последовательности можно применять для
одиночной линии, если к каждой ее фазе между выводами питающего
305
трансформатора и ТТНП подключить конденсатор, вторую обкладку ко-
торого соединить с контуром заземления. Емкость конденсатора выби-
рают по условию (4.51), которое в данном случае приобретает вид, мкФ:
чн сз
106.
(4.52)
Практика использования в такой защите реле тока РТ-40/0,2 и РТЗ-
50 показала, что для них необходима отстройка от тока переходного про-
цесса, осуществляемая выбором уставки по току и выдержкой времени
1—2 с. Применение реле тока РТЗ-51 более предпочтительно, оно от-
строено от переходных процессов частотным фильтром. Однако это реле
надо защищать от помех согласно заводской инструкции.
Выбор уставок. Защита применяется при большом числе (от 5 до 10)
кабельных линий КЛ при условии, что для каждого из присоединений
выполняется условие Ic сум /У . >10 (суммарный емкостный ток превы-
шает собственный емкостный ток любого из отходящих фидеров не ме-
нее, чем в 10 раз).
Ток срабатывания защиты ZC3 (по первичному току) выбирается по
трем условиям:
— по условию несрабатывания при 033 на смежном фидере
4. > К L ' (4.53)
СЗ 3 ор С,ПОВ’
— по условию несрабатывания при мсждуфазных коротких замыканиях
Азз ” ^з А1б 1 5
(4.54)
— по условию чувствительности ТТНП
А:з - А),ср min' (4.55)
В этих выражениях:
к3 — коэффициент запаса (от 1,2 до 1,3);
&бр коэффициент, учитывающий бросок действующего значения емкост-
ного тока 033 при дуговых перемежающихся замыканиях;
/с пов — собственный емкостный ток замыкания на землю рассматривае-
мого присоединения, вычисляемый по формулам (4.40), (4.41) или (4.43), А;
7нб1 “ наибольшее значение тока небаланса фильтра токов нулевой после-
довательности, А;
А),ср min чувствительность защиты с ТТНП, определяемая по табл. 2.4.
Значение коэффициента £бр зависит от типа применяемого реле КА
(см. рис. 2.20, б). Для реле типов РТ-40, РТ-140 £бр принимают от 4 до 5,
306
(4.56)
для реле РТЗ-50 — от 3 до 4, для реле РТЗ-51 — от 2 до 2,5. Для токовых
защит нулевой последовательности, являющихся составной частью мик-
ропроцессорных терминалов, значение коэффициента &бр принимают
в соответствии с паспортными данными.
Значение тока небаланса 7нб1 для трансформаторных ФТНП прини-
мают в соответствии с п. 2.8. При расчете уставок защит для кабельных
ТТНП при проектировании допускается принимать /нб1 = 0.
В качестве расчетного значения тока срабатывания защиты /сз расч
принимают наибольшее значение из вычисленных по формулам (4.53),
(4.54) и (4.55).
Для выбранного значения /сз расч определяют коэффициент чувстви-
тельности:
— ^З’пов — ^сум А?,пов
4 “7 “ 7
сз,расч сз,расч
где 13 пов — емкостный ток замыкания на землю, протекающий через фидер с
033, вычисляемый по формулам (4.31) или (4.32), А;
сум — суммарный емкостный ток всей электрически связанной сети (всех
присоединений), вычисляемый по формуле (4.44)А;
пов — собственный емкостный ток рассматриваемого присоединения, вы-
числяемый по формулам (4.40), (4.41) или (4.43), А.
Вычисленное по формуле (4.56) значение кч должно отвечать усло-
вию (4.49), в котором для КЛ принимают к^ =1,25.
Токовая защита нулевой последовательности может быть применена
для одиночной линии при условии подключения на питающем конце
конденсаторов между каждой фазой и землей. Емкость С3 конденсато-
ра в каждой фазе должна отвечать условию (4.52). Конденсаторы под-
ключаются к фазам со стороны питания до ТТНП. Методика расчета
уставок защиты как для одиночной линии, так и для нескольких присо-
единений не изменяется.
В этом случае для определения коэффициента чувствительности вме-
сто формулы (4.56) используют выражение:
I +V3wtZ С -I
к _ с, сум _____НОМ 3 с,пов
ч“ J
сз,расч
где UH0M — номинальное (линейное) напряжение КЛ, В;
G — емкость конденсатора, Ф.
о
(4.57)
307
Пример 4.5. К шинам 10 кВ подстанции присоединены пять фидеров, пита-
ющих КЛ (трехжильный кабель с секторными жилами сечением 50 мм2) дли-
ной 5 км. Выбрать уставку по току срабатывания токовой защиты нулевой пос-
ледовательности.
По табл. 4.3 находим удельное значение емкостного тока замыкания на зем-
лю кабеля / 'каб =0,773 А/км. По формуле (4.41) находим значение собственно-
го емкостного тока одного присоединения:
1 ,=i I .+/ J й .
c,i в bj каб каб,/
= 0+0,773-5 = 3,87 А.
Поскольку все КЛ одинаковы как по сечению, так и по длине, то
7с,1
= 1=1 . =3,87 А.
с,5 с,г
Рассматриваем токовую защиту от 033 на фидере № 1 с собственным ем-
костным током L 1 = А пп = 3,87 А. Защита выполнена с ТТНП типа ТЗРЛ и
реле РТЗ-51.
Ток срабатывания защиты находим по формуле (4.54)
I > k к I
СЗ - 3 бр *с,пов
1,2-2’3,87 = 9,23 А.
Поскольку для ТТНП принимают /нб1 = 0, то расчет по формуле (4.54) не про-
изводим. Для ТТНП типа ТЗРЛ с реле РТЗ-51 находим по табл. 2.4 /0 = 3 А.
По условию (4.55) ток срабатывания защиты должен быть больше З А. Из срав-
нения условий (4.53) и (4.55) определяем наибольшее значение 9,23 А и прини-
маем /сз = ZC3 расч = L = 10 А.
По формуле (4.44) находим значение электрически связанной (присоеди-
ненной к одним шинам) сети, состоящей из пяти кабельных линий:
5
J . =3,87 + 3,87 + 3,87 + 3,87 + 3,87 = 19,35 А.
с,сум С,1
По формуле (4.56) находим
. с,сум с,пов 19,35 — 3,87
к = —L-L------------------------------= 1,55.
4 I 10
сз,расч
Условие (4.49) для КЛ при /^н =1,25 выполняется.
Пример 4.6. Для одиночной, подключенной к шинам РУ через трансформа-
тор, ВЛ 10 кВ (провода АС-35) длиной / =20 км при высоте подвеса проводов
7 м и общей длине кабельных вставок (трехфазный кабель, сечение жилы 35 мм2)
/каб=О55 км выбрать уставки защиты от 033 по току нулевой последовательно-
сти и емкость конденсаторов, включаемых между каждой фазой и землей. Транс-
форматоры тока нулевой последовательности типа ТЗРЛ с реле РТЗ-51.
308
По табл. 4.1 находим для ВЛ св =4,1 нФ/км, по табл. 4.2 определяем для
кабельных вставок с'каб =158 нФ/км.
По формуле (4.36) вычисляем значение собственной емкости фазы ВЛ (А?с=1):
с =С.=С =Ук .с .1 , + Ус . I . =
л I пов Z-» cj b,j bj каб,4 каб,4
М 4=1
= 1-4,1-10"9(20-0,5) + 158-10"9-0,5 = 80-10-9+79-10_9=159-10_9Ф.
Значение собственного емкостного тока линии находим по формуле (4.33):
I =у/3ши С = >/з-314-10500-159-10-9 = 0,91 А.
с,пов ном пов
По условию (4.53) находим ток срабатывания защиты
— ^Лбр^с,пов = 1>25‘2,5*0,91 ~ 2,85 А.
По условию (4.55) и табл. 2.4 ток срабатывания защиты должен быть не ме-
нее Iq cpmjn “ЗА. Таким образом, по условию (4.55) требуется большее значе-
ние 7СЗ расч, чем по условию (4.53). Принимаем 1СЗ— 5 А.
По формуле (4.53) находим
к I , 15-5 <
С > чн сз 106 = 42------106 =1,32 мкФ.
3 у/Заи V3-314-10500
НОМ
Выбираем по одному конденсатору типа КСК-10,5-75У1 емкостью 2,17 мкФ
(2, 17-10-6 Ф) на фазу. Конденсаторы подключаются между высоковольтным
выключателем ВЛ и ТТНП.
Поскольку ВЛ питается от индивидуального трансформатора, то СП0В=Ссум.
Результирующую емкость Срез фазы ВЛ вместе с конденсатором С3 находим по
формуле (4.39)
Срез = Ссум +Сз = 159-10-9+2,17- 1(Г6 = (159+2170)-10“9 = 2329-10“9 Ф.
При 033 на ВЛ с конденсаторами по фидеру на стороне 10 кВ будет про-
текать ток 13 пов, вычисляемый по формуле (4.31), абсолютное значение ко-
торого
/ =л/ЗсоС/ (с -С ) = л/з-314 10500 (2329-159)-10"9 =12,4А.
з,пов ном \ рез пов / ' '
Находим коэффициент чувствительности по условию (4.56):
7 Ina
к =з2пов = ^ = 248
4 I 5
сз,расч
При нормативном значении =1,5 условие (4.49) выполняется.
309
Направленная защита нулевой последовательности (рис. 4.24) содержит
чувствительное реле направления мощности KW, подключенное ко вто-
ричным обмоткам кабельного трансформатора тока ТА (ТТНП) и транс-
форматора напряжения TV (трансформаторный ФННП). Таким образом,
на входы реле KW подаются электрические величины, пропорциональ-
ные токам 3/0 и напряжениям 3 Uq нулевой последовательности.
Принцип действия защиты основан на том, что ток нулевой после-
довательности на поврежденном присоединении имеет условное направ-
ление от шин в линию (от источника питания к месту повреждения), а
на всех неповрежденных присоединениях — противоположное направ-
ление (из линии к шинам). Реле направления мощности KW реагирует
на фазовый угол между напряжением ЗД и током ЗД в каждом из при-
соединений.
В сети с изолированной нейтралью в линии с 033 вектор тока ЗД
отстает от вектора напряжения 3 Д на угол примерно 90° (индуктив-
ный характер), в неповрежденных присоединениях вектор тока ЗД опе-
режает вектор напряжения ЗД примерно на такой же угол (емкостный
характер). При 033 через переходное сопротивление эти фазовые углы
остаются такими же.
Зона срабатывания защиты составляет 180±20° при угле максималь-
ной чувствительности от 90 до 120е. Таким образом, при направлении
мощности от шин в линию реле KW срабатывает с наибольшей чувстви-
ЛЭП 6—10 кВ
Рис. 4.24. Схема направленной защиты нулевой последовательности
310
тельностью, а при направлении из линии к шинам — срабатывания не
происходит.
По сравнению с токовой эта защита обладает более высокой чувстви-
тельностью и селективностью. Ее не надо отстраивать от собственных
емкостных токов защищаемой линии, так как при замыкании на землю
на смежной линии эти токи имеют такое направление, при котором на-
правленное реле не срабатывает.
В качестве реле KW (см. рис. 4.24) в электрических сетях 6—10 кВ с
емкостными токами от 0,2 до 20 А широкое распространение получило
устройство защиты от 033 типа ЗЗП-1 (ЗЗП-1М). Оно имеет три устав-
ки по току срабатывания:
0,07±0,021 А (уставка 1);
0,5±0,15 А (уставка 2);
2,0±0,6 А (уставка 3).
Напряжение срабатывания при двойном токе срабатывания состав-
ляет от 20 до 40 В.
Упрощенная принципиальная схема защиты ЗЗП-1 М приведена на
рис. 4.25. Клеммами 7, 9 защита подключена к трансформатору тока
нулевой последовательности.
На транзисторах VT1, VT2 выполнен усилитель переменного тока с
частотно-зависимой обратной связью (R7, СЗ), обеспечивающей пред-
варительную фильтрацию составляющей тока с частотой 50 Гц. Транзи-
сторы VT3, VT4 и диоды VD4, VD5 образуют фазочувствительный вып-
рямитель, нагрузкой которого является поляризованное реле KL. Пере-
ключение транзисторов VT3, VT4 осуществляется напряжением
вторичной обмотки промежуточного трансформатора TL2. Конденса-
Рис. 4.25. Схема защиты типа ЗЗП-1 М
311
тор С4 настроен в резонанс на частоту 50 Гц с индуктивностью первич-
ной обмотки этого промежуточного трансформатора, что также обеспе-
чивает выделение первой гармоники.
Напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя (7Н равно
Un = 3 £70cos(p, где ср — фазовый угол между напряжением 3 Uq и напря-
жением вторичной обмотки промежуточного трансформатора TL2.
В свою очередь последнее зависит от напряжения на вторичной обмот-
ке согласующего трансформатора TL1. Как следует из векторных диаграмм,
приведенных на рис. 4.21, г, е, фазовый угол между током /3 (/3 = 32^) и
напряжением Uq составляет 90°. Для того чтобы напряжение на вторич-
ной обмотке согласующего трансформатора ТЫ совпадало по фазе с
током 3/0, он работает в режиме, близком к холостому ходу при шунти-
ровании его вторичной обмотки конденсатором С1.
При двойных замыканиях на землю токи нулевой последовательно-
сти возрастают в десятки тысяч раз. Защита элементов устройства от
повреждений в этих режимах осуществляется разрядником VF.
Вспомогательное устройство ВУ-1 (см. рис. 4.24) образует резонанс-
ный контур на 50 Гц, который предотвращает попадание в реле высших
гармонических составляющих напряжения нулевой последовательнос-
ти (как в нормальном режиме, так и при замыкании на землю с переме-
жающейся дугой), способных вызвать ложное действие защиты. В элек-
тронных и микропроцессорных реле KW следует предусматривать по-
лосовые или фильтры нижних частот.
В момент возникновения замыкания на землю возможно образова-
ние кратковременного всплеска напряжения, который опасен для реле
KW. Поэтому подключение последнего к трансформатору напряжения
TV производится контактами реле напряжения KV с небольшой задерж-
кой, равной времени срабатывания этого реле. Уставка реле KV выби-
рается, как для неселективной защиты (сигнализации) напряжения ну-
левой последовательности.
Вместо защиты ЗЗП-1 выпускается новая модификация типа ЗЗН.
Эта защита имеет три уставки по току и три уставки по напряжению сра-
батывания.
Ток срабатывания защиты, А:
уставка 1 0,07 ±0,02;
уставка 2 0,25±0,05;
уставка 3 2,5±0,30.
312
Напряжение срабатывания защиты при двукратном токе срабатыва-
ния, В:
уставка 1 10,0±1,0;
уставка 2 15,0±1,5;
уставка 3 20,0±2,0.
В цепях тока и напряжения устройства 33 Н имеются защитные ста-
билитроны и полосовые фильтры для подавления высших гармоник.
Цепь напряжения защиты (см. реле KW на рис. 4.24) подключается к
выводам измерительного трансформатора напряжения TV непосред-
ственно (без ВУ-1 и контактов KV). Защита ЗЗН обладает более высо-
кой помехоустойчивостью. При перемежающихся дуговых замыканиях
срабатывание защиты происходит при втором-третьем зажигании дуги.
Внешние перемежающиеся дуговые замыкания не вызывают излишне-
го срабатывания. При прерывистых и самоустраняющихся замыканиях
на землю защита не срабатывает.
Имеется много новых разработок реле направления мощности KW
для защиты от 033 (блок МОНО микропроцессорных защит ЯРЭ-2201,
специальные блоки терминалов БРМЗ, SEPAM, SPACOM, SIPR0TEC-4
и др.). Однако ни одна из них не испытывалась в условиях электромаг-
нитного влияния контактной сети постоянного и переменного токов на
провода защищаемой от 033 ВЛ. Наводимые ЭДС в проводах этих ли-
ний, особенно проложенных на опорах контактной сети, выделяются в
трансформаторных ФННП и ФТНП в виде напряжений и токов неба-
ланса (помехи) нулевой последовательности основной и более высоких
частот, которые очень сильно влияют на работоспособность защиты от
033.
Поэтому применение направленной защиты нулевой последователь-
ности от 033 может быть рекомендовано для линий, не проходящих
ближе 40—100 м от оси пути электрифицированной железной дороги.
Без принятия специальных мер направленная защита не может ра-
ботать на одиночных линиях, получающих питание от обмоток с изоли-
рованной нейтралью индивидуальных трансформаторов, поскольку по
головным участкам таких линий токи нулевой последовательности не
протекают. Однако, если между питающей обмоткой трансформатора и
ТТНП к каждой фазе подключить конденсаторы, соединенные второй
обкладкой с контуром заземления, то направленная защита нулевой
последовательности может быть применена, при этом обязательным
условием является выбор емкости конденсатора С3 по формуле (4.52).
313
В данном случае в качестве /сз надо принять значение фиксированной
уставки по току реле KW (в защитах ЗЗП-1 и ЗЗН их три, при этом по
возможности нс следует принимать самую низкую), а в качестве 13 пов —
собственный емкостный ток защищаемой линии 1С пов, определяемый
по формулам (4.40), (4.41) или (4.43).
Выбор уставок для одиночной линии. На одиночной линии, получаю-
щей питание от индивидуального трансформатора (например, ВЛ СЦБ),
направленная защита нулевой последовательности может применяться
только в том случае, если между ее высоковольтным выключателем и
ТТНП, между каждой фазой и землей (т.е. параллельно первичным об-
моткам измерительного трансформатора напряжения) будут подключе-
ны конденсаторы.
Для выбора емкости конденсаторов необходимо предварительно за-
даться фиксированной уставкой /у по току срабатывания выбранного
устройства защиты (например, ЗЗП-1, ЗЗН или др.). Для повышения
чувствительности защиты при 033 через большое переходное сопротив-
ление выгодно использовать фиксированные уставки с возможно мень-
шим значением /у. Однако при малых токах кабельные ТТНП имеют
весьма большие погрешности не только по току, но и по углу, что может
явиться причиной ложного действия защиты, поэтому уставку с самым
наименьшим током срабатывания без особой необходимости выбирать
не рекомендуется.
Емкость конденсаторов С3 в каждой из фаз линии вычисляют по
формуле (4.52), в которой в качестве 7СЗ принимают выбранное фикси-
рованное значение уставки по току 7у. По каталогу находят тип конден-
сатора с номинальным значением емкости Сзн, ближайшим большим
по сравнению с вычисленным по формуле (4.52) значением.
Расчет цепи напряжения защиты осуществляют в следующем порядке.
Определяют наименьшее значение напряжения срабатывания Uc^ по
условию отстройки от помех в нормальном режиме по формуле (4.47).
По вычисленному значению J7cp принимают ближайшее бблыпее фик-
сированное значение уставки С/ по напряжению срабатывания выбран-
ного устройства защиты:
иу*ис» (4.58)
Если, например, по формуле (4.47) вычислено Uc$ =12 В, то для за-
щиты ЗЗН из трех фиксированных уставок 10, 15 и 20 В в соответствии с
условием (4.58) следует принять уставку 2: £7у =15 В.
314
Если устройство защиты не имеет набора фиксированных уставок
по напряжению срабатывания, но в его паспортных данных указан диа-
пазон напряжений срабатывания от Ucn пясп до {/сп пясп тяу (напри-
k/p^llaVll 111111 k/JJjllClUlL llloA
мер, для защиты ЗЗП-1 при токе, равном удвоенному значению уставки
по току, напряжение срабатывания составляет 20—40 В), то должно со-
блюдаться условие
U <AJ
ср ср,пасппнп
(4.59)
Уставка по напряжению, отвечающая условию (4.58) или (4.59), прове-
ряется на обеспечение требований чувствительности. Коэффициент чув-
ствительности вычисляют по формуле (4.48), в которой Uy — принятое
значение фиксированной уставки по напряжению срабатывания или пас-
портное значение £/ср пасп тах (для защиты ЗЗП-1 принимают 40 В), В.
Проверяется также условие (4.49) при = 2.
Для выбранного значения уставки Uy по напряжению срабатывания
(или для значения ^ср>пасп тах ) определяют наибольшее значение пе-
реходного сопротивления ^пср, при котором обеспечивается действие
защиты. В формулах (4.50) при этом вместо С7ср принимают Uy или
Цф,пасп шах ПРИ и ^сум ""
Пример 4.7. Для одиночной, получающей питание от индивидуального
трансформатора, ВЛ 10 кВ (провода АС-35) длиной /=20 км при высоте подвеса
проводов 7 м, общей длине кабельных вставок (трехфазный кабель с секторны-
ми жилами, сечение жилы 35 мм2) /каб - 0,5 км и ширине сближения 40 м выб-
рать уставки направленной защиты нулевой последовательности ЗЗП-1 и ем-
кость конденсаторов, включенных между каждой фазой и землей.
Выбираем вторую фиксированную уставку по первичному току /сз =/у = 0,5 А.
По формуле (4.52) находим требуемое значение емкости С3 при кчи =2:
С > 1О6 = 1.2-2 0,5 106 =0 210мкф
3 V3co£7 V3-314 10500
НОМ
Выбираем конденсаторы типа КМ1-10,5-12-2У1 емкостью Сзн=0,35 мкФ
(0,35’ 10~6 Ф) на фазу.
Поскольку ВЛ не проложена вблизи электрифицированной железной до-
роги, принимаем [7нб| = 9 В и 0- По формуле (4.47) находим
Цф * *отс (^Нб1 + ^Нб2> = 1.2(9+0) = 10,8 В.
Поскольку защита ЗЗП-1 не имеет фиксированной уставки по напряжению,
то проверяем условие (4.59):
315
и <и
ср ср.пасппип
10,8 < 20 В.
Условие выполняется.
По формуле (4.48) находим коэффициент чувствительности при £/у=
^ср,пасп тах^ ^0 В.
100 "^нбз ЮО-О
и 40
У
Условие (4.49) при =2 выполняется.
По таблице 4.1 находим для ВЛ св =4,1 нФ/км, по табл. 4.2 определяем для
кабельных вставок скаб =с/каб =158 нФ/км.
По формуле (4.36) вычисляем значение собственной емкости фазы ВЛ
(V1)-
т п
С =£к ,с .1 . + £с к I . =
л 7=1 CJ М ?=i каб,4 каб,4
= 1-4,1-Ю-9 (20-0,5) + 158-10”9-0,5 = 80-10-9 +79 10“’ = 159-10-9Ф.
Поскольку ВЛ получает питание от индивидуального трансформатора, то
Ссум =СЛ =159’10""9 Ф. Результирующая емкость фазы ВЛ вместе с конденсато-
ром
Сре3 = Ссум +сз = 159-10“9+0,35'10~6 = (159+350)-10"9 = 509-Ю"9 Ф.
По формуле (4.50) находим при С_ =С1Н и СЛ =СЛ_
j jn у V^JjlLaVll 1L1CLA
100
-1
100
R
пер
ср чн
Зсо(С + С
сум 3
= 1564 Ом.
3-314-509-10~9
Пример 4.8. Для условий примера 4.7 выбрать уставки направленной защи-
ты нулевой последовательности ЗЗН.
Выбираем вторую фиксированную уставку по первичному току Zy=0,25 А.
По формуле (4.52) находим требуемое значение емкости С3 при А;ш=2 и /сз =/ :
к 1 , 2-0 25 а
' гк . чн сз 106 =1)2_^_±^----106 =0,105 мкФ.
3 3 *ТЗшС V3-314-10500
НОМ
316
Выбираем конденсаторы типа КМ1-10,5-12-2У1 емкостью Сзн— 0,35 мкФ
(0,35* 10-6 Ф) на фазу.
Принимаем = 9 В и = ЦтбЗ = 0 В- По формуле (4.47) находим:
Ц=р > к^ + tfH62) = 1,2-(9+0) = 10,8 В.
Принимаем ближайшую большую уставку 2 по напряжению срабатывания
tfy=15B.
По формуле (4.48) находим коэффициент чувствительности:
ЮО-^нбЗ юо-о _
л —----------—-------= о, и.
4 и 15
у
Условие (4.49) при к^ — 2 выполняется.
В примере 4.7 вычислено: Сл = 150-10’^ Ф, Срез - 509*10”^ Ф.
По формуле (4.50) находим при С3 = Сзн
R <
пер
Зсо(С +С )
сум 3
100
Vl 15-2 + 0 J
---------------= 6632 Ом.
3-314’509-Ю-9
Выбор уставок для двух и более присоединений. Для каждой из линий,
присоединенных к общим шинам, вычисляют значение собственной
емкости фазы Сл = Ц по формуле (4.36). Емкость Сл = Q той линии,
для которой рассчитывается защита, обозначают Сл = Спов.
По формуле (4.38) находят суммарную емкость Ссум электрически
связанной сети и по формуле (4.44) ~ суммарный емкостный ток 1С сум
этой сети.
Определяют по формуле (4.32) значение емкостного тока 13 пов за-
щищаемой линии при 033. Если присоединение к шинам конденсато-
ров не предусмотрено, принимают С3 = 0.
Расчетное значение тока срабатывания /сз, А, в токовой цепи защи-
ты (см. рис. 4.24) вычисляют по формуле:
I -I
I — g»Pe3 С,ПОВ нб! НбЗ /д 60\
сз “ к
чн
317
где L np, — результирующее значение емкостного тока всей электрически свя-
заннои сети с учетом емкости С3 конденсаторов, вычисляемое по формулам
(4.33) или (4.45), А;
Zc пов — собственный емкостный ток линии, для которой рассчитывают за-
щиту,' вычисляемый по формуле (4.40), (4.41) или (4.43), А;
7нб1 — наибольшее значение тока небаланса фильтра токов нулевой после-
довательности, А;
/нбз — значение дополнительной составляющей тока небаланса при нали-
чии 033 на ВЛ, обусловленное электромагнитным влиянием контактной сети
однофазного переменного тока (при отсутствии влияния /нб3 = 0, при наличии
влияния определяют в соответствии с п. 11.3 (см. Часть 11 учебника), А;
— нормативное значение коэффициента чувствительности (£чн= 2).
Значение тока небаланса 7нб1 для трехтрансформаторных ФТНП
принимают в соответствии с п. 2.8. Для кабельных ТТНП при проекти-
ровании допускается принимать ^нб1=
По вычисленному значению 1СЗ принимают ближайшую меньшую
фиксированную уставку Zy по току срабатывания выбранного устрой-
ства защиты. По возможности следует избегать использования самых
низких значений уставки, поскольку при малых токах ТТНП имеют весь-
ма большие погрешности не только по току, но и по углу, что может явить-
ся причиной неселективного действия.
Расчет цепи напряжения защиты и определение наибольшего значе-
ния переходного сопротивления Япер осуществляют так же, как для оди-
ночной линии.
Высокочастотные защиты, реагирующие на высокочастотные состав-
ляющие в токе нулевой последовательности, контролируют уровень
высших гармоник в защищаемой сети.
Устройство абсолютного замера (например, УСЗ-2/2) измеряет уро-
вень высших гармоник (в диапазоне частот от 150 до 650 Гц) в токе 3/q
защищаемого присоединениям сравнивает его с заданной уставкой. При
033 уровень высших гармоник возрастает и защита срабатывает. Оно
применяется в компенсированных сетях на головных участках линий,
отходящих от шин элктростанций и крупных подстанций при большом
числе таких линий. Устройство подключается к выводам вторичной об-
мотки кабельного трансформатора тока нулевой последовательности
(см. рис. 2.20). Его упрощенная схема приведена на рис. 4.26.
Устройство подключается к трансформатору тока нулевой последо-
вательности через согласующий трансформатор TL, ко вторичной об-
мотке которого подключены фильтр LC и конденсатор С1. Фильтр LC
настроен на частоту 50 Гц. Поскольку сопротивление его для этой час-
318
тоты очень мало, то основная гармоника замыкается через фильтр и на
выпрямитель VD не проходит. Частоты выше 50 Гц и менее 2000 Гц, со-
держащиеся в токе нулевой последовательности, выпрямляются, и вып-
рямленный ток, пропорциональный величине токов высших гармоник
(в указанных пределах), поступает на базу транзистора VT1. Этот тран-
зистор нормально (т.е. при отсутствии тока в резисторе R2) открыт то-
ком базы через резистор R3, а транзистор VT2 закрыт и реле К обесто-
чено. Контакт К1 этого реле замкнут, на тиратрон с холодным катодом
VL подается отрицательный потенциал —£п и он не горит.
При появлении в токе нулевой последовательности высших гармо-
ник ток в резисторе R2 увеличивается. Его направление в цепи база-
эмиттер транзистора VT1 противоположно току базы, ограниченному
резистором R3. Когда ток в резисторе R2 почти сравняется с величиной
тока в резисторе R3, транзистор VT1 закроется и конденсатор С2, пред-
назначенный для отстройки УСЗ от переходных режимов, начнет заря-
жаться. Устройство не фиксирует однофазные замыкания длительнос-
тью менее 40 мс при 5-кратном токе срабатывания. Через 30—50 мс на-
пряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для открытия
транзистора VT2, реле К сработает и тиратрон VL зажжется.
При отключении линии или устранении повреждения транзистор VT 1
открывается, транзистор VT2 закрывается, реле К обесточивается. Для
того чтобы погасить тиратрон, надо нажать кнопку SB. Регулировка ус-
тавки осуществляется резистором R1.
Устройство относительного замера (например УСЗ-ЗМ) основано на
измерении уровня высших гармоник в каждом присоединении и срав-
нении всех этих уровней между собой. При 033 уровень высших гармо-
Рис. 4.26. Схема устройства УСЗ 2/2
319
ник на поврежденном присоединении оказывается выше, чем на лю-
бом из неповрежденных, что и является признаком для фиксации фак-
та 033 и определения поврежденного фидера.
Защиты по уровню высших гармоник в токе нулевой последователь-
ности при малом числе присоединений в сетях 6, 10 кВ с изолирован-
ной нейтралью работают неудовлетворительно. Их применение для ВЛ
СЦБ и линий ПЭ не рекомендуется.
Устройства, реагирующие на электрические величины переходного
процесса при 033, имеют много разновидностей. Среди них устрой-
ство, контролирующее направление распространения волн переход-
ного процесса, формирующихся в момент пробоя изоляции фазы на
ЛЭП (УСЗ-01), устройство раздельной фиксации начальных знаков
и с последующим их логическим сравнением (КЗЗП, ПЗЗМ-1), ус-
тройство контроля мгновенной мощности нулевой последовательно-
сти с использованием в качестве поляризующей величины производ-
ной du^/dt, синхронной фиксацией начальных знаков этой производ-
ной и мгновенного значения тока /0 во всех присоединениях («Импульс»,
«Спектр»), устройство сравнения амплитудных значений свободных
составляющих токов переходного процесса (УЧСЗ) и др.
Все эти устройства пока находятся лишь в опытной эксплуатации,
они достаточно сложны, а в условиях повышенного электромагнитного
влияния контактной сети не испытывались. Для ВЛ СЦБ и линий ПЭ
они не рекомендуются.
Защита с использованием «наложенных» токов основана на том, что к
контролируемой сети через фильтры подключается один из выводов
источника тока с частотой, отличной от промышленной, второй вывод
которого соединен с землей, и осуществляется контроль величины это-
го тока. При 033 значение .«наложенного» тока изменяется и токовая
защита срабатывает. Для сетей с изолированной нейтралью защита не
применяется из-за больших усложнений и удорожания схемы питания,
недостаточной эффективности.
Комплекты защит. Защита от КЗ на землю в сетях 110 кВ и выше с
заземленной нейтралью входит составной частью в панели и шкафы за-
щит ЭПЗ 1636, ПДЭ 2002, ШДЭ 2801 и др., выпускаемых ОАО «Чебок-
сарский электроаппаратный завод». Микропроцессорные терминалы
REL 511, REL 670 (ОАО «АББ Автоматизация») также выполняют фун-
кции этих защит.
320
В сетях 6-10-35 кВ с изолированной и компенсированной нейтра-
лью широкое распространение получили защиты ЗЗП-1 и ЗЗН. Кроме
них Чебоксарский элекгроаппаратный завод выпускает комплектные
устройства защиты типов ЯРЭ 2201, ЯРЭ 2202, предназначенные для
установки в комплектные распределительные устройства. Эти устрой-
ства выполняют функции защиты и автоматики одного или нескольких
присоединений и в их состав входит также защита от однофазных замы-
каний на землю с параметрами, которые близки к защите ЗЗП-1.
Функции защиты от 033 в сетях 6-10-35 кВ выполняют микропро-
цессорные терминалы ТЭМП 2501, SPA_100, SPA__300, SPAC 800, SPAC
810, БМРЗ-ВВ, БМРЗ-КЛ. Защита от замыканий на землю в линии с
изолированной или компенсированной нейтралью предусмотрена в ка-
честве составной части микропроцессорного устройства «Сириус».
Если к общим шинам присоединены несколько отходящих линий, то
для селективного определения именно того присоединения, на котором
произошло замыкание на землю (в сетях с изолированной или компен-
сированной нейтралью или в режиме недокомпенсированного емкост-
ного тока, при токах замыкания на землю от 0,25 до 40 А) может исполь-
зоваться микропроцессорное устройство ИМФ-10Т (НПО «Радиус»).
Устройство предназначено для работы с трансформаторами тока ну-
левой последовательности (ТТНП) кабельного типа или со специаль-
ными ТТНП для КРУН с воздушными выводами на одно- и двухтранс-
форматорных подстанциях.
Принцип работы устройства основан на фиксации и контроле угла
между напряжением Uq и токами 3/0 на всех контролируемых присое-
динениях. Контроль величины Uq и сравнение ее с уставкой произво-
дятся непрерывно. Фиксация векторов напряжения Uq и токов 3/0 при-
соединений происходит при превышении напряжением Uq величины
установленной уставки. После фиксации производится сравнение уг-
лов (направлений тока) на всех присоединениях. Условием поврежде-
ния присоединения является, во-первых, превышение током 3/0 уста-
новленной уставки и, во-вторых, соответствующее направление этого
тока относительно вектора Uq.
Устройство обеспечивает вывод на индикатор следующей инфор-
мации:
• номер поврежденного присоединения;
• дата и время момента замыкания на землю;
• напряжение Uq и ток 3/0 поврежденной линии в первичных значе-
ниях;
321
Трансформатор _’
секции Т2 А Трансформатор
z )ос напряжения
Выключатель
секции Т Шины6... 10кВ
Q7 ~ .
, Трансформатор тока
_J / нулевой послед.
т с Тлб 1л7..,10 U0
1л5
1л4
1лЗ
1л2
1л1
«Отказ»
«Земля»
св
р
О
Устройство
ИМФ-10Т
о
1
2
Рис. 4.27. Схема подключения устройства ИМФ-10Т на примере однотранс-
форматорной подстанции
• значения и направления токов 3/0 всех контролируемых присое-
динений.
Информация фиксируется в памяти устройства в порядке поступле-
ния и сохраняется о девяти последних замыканиях. Информация о каж-
дой последующей аварии фиксируется, стирая из памяти информацию
о самом «старом» повреждении. Устройство контролирует до 10 присое-
динений. При большем количестве фидеров устанавливаются два таких
устройства.
Устройство подключается к трансформаторам тока нулевой последо-
вательности, установленным на отходящих присоединениях (рис. 4.27).
Необходима правильная фазировка трансформаторов тока при подклю-
чении устройства.
Глава 5. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
5.1. Виды аварийных и ненормальных режимов
Аварийные режимы проявляются в виде повреждений обмоток ста-
тора и обмоток ротора. Ненормальные режимы, если их своевременно
не ликвидировать, могут привести к повреждениям.
Повреждения обмотки статора подразделяются на короткие замыка-
ния между различными фазами (многофазные замыкания), однофаз-
ные замыкания на землю и замыкания между витками одной фазы (вит-
ковыс замыкания).
Многофазные короткие замыкания — это замыкания с большими ве-
личинами токов. В месте короткого замыкания возникает электричес-
кая дуга, разрушающая изоляцию. Дуга, если короткое замыкание быс-
тро не отключить, может выплавить сталь магнитопровода статора. Это
не только утяжеляет аварию, но и существенно удорожает ремонт.
Однофазные замыкания на землю (на корпус) у генераторов с напряже-
нием выше 1000 В, работающих в сетях с изолированной нейтралью либо
с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, невелики и зна-
чительно меньше токов нормального режима. Однако и при этих токах
возникает электрическая дуга. Поэтому длительное протекание одно-
фазных токов замыкания на землю может сопровождаться и выжигани-
ем изоляции и оплавлением активной стали ротора. Установлено, что
если величина тока однофазного замыкания на землю равна 5 А и бо-
лее, то защита этого вида повреждений должна отключать генератор;
при токах меньше 5 А защита должна действовать на сигнал.
Синхронные генераторы, работающие в сетях с напряжением до 1 кВ,
имеют заземленную нейтраль; ток замыкания на корпус в этом случае
является однофазным коротким замыканием и имеет большую величи-
ну. Такой ток, как и другие виды короткого замыкания, должен отклю-
чаться в результате действия защиты.
Замыкания между витками одной фазы, как и другие виды замыка-
ний, сопровождаются образованием электрической дуги с такими же
323
последствиями. Поэтому рано или поздно витковое замыкание перехо-
дит в замыкание на корпус или многофазное короткое замыкание. Что-
бы не допустить развития виткового замыкания генераторов, имеющих
выведенные параллельные ветви обмотки статора, их снабжают специ-
альной защитой от этого вида повреждений. Для генераторов же, не
имеющих выведенных параллельных ветвей, такой защиты не предус-
матривают из-за сложности ее выполнения, а также имея в виду, что
витковые замыкания крайне редки.
При повреждении обмотки ротора различают замыкание его обмоток
на землю (на «тело» ротора) в одной точке и последующее замыкание
этой обмотки во второй точке. Поскольку обмотка ротора питается либо
постоянным (от мощного генератора), либо выпрямленным током, то
при замыкании ее на землю в одной точке ток через место потери изо-
ляции либо вообще практически не проходит, либо крайне невелик, по-
скольку определяется лишь пульсациями выпрямленного тока и емкос-
тью между цепями возбуждения и землей.
При появлении замыкания обмотки ротора на землю в еще одной
точке картина меняется: часть обмотки возбуждения оказывается зашун-
тированной пренебрежимо малым сопротивлением «тела» ротора, по-
этому ток в остальной части обмотки возрастает, перегревая ее. Маг-
нитное поле ротора из-за шунтирования части его обмотки искажается,
что вызывает вредную вибрацию ротора, особенно опасную для генера-
торов явнополюсных машин.
К ненормальным режимам относятся протекание сверхтоков, вызван-
ных внешними короткими замыканиями и перегрузками, повышение
напряжения, асинхронный режим с потерей возбуждения, перегрузка
обмотки ротора током возбуждения. При этом сверхтоком называют ток,
величина которого существенно превышает номинальный ток рассмат-
риваемого объекта и который не является током внутреннего повреж-
дения (короткого замыкания) этого объекта. Сверхток может проходить
по токоведущим частям данного объекта либо в результате перегрузки,
либо в результате внешнего КЗ, т.е. короткого замыкания на каком-либо
другом объекте, составляющим с данным последовательную цепь.
Сверхтоки, вызванные внешними короткими замыканиями, опасны из-
за перегрева обмоток статора. Кроме того, появление значительных то-
ков обратной последовательности (при несимметричных коротких за-
мыканиях) ведет не только к повышенному нагреванию ротора, но и
вызывает вибрацию генератора, что может привести к его разрушению.
324
Внешние короткие замыкания должны отключаться той защитой, ко-
торая установлена на поврежденном объекте, и ликвидироваться путем
отключения самого поврежденного объекта. В дополнение к этому, в
целях повышения надежности, на генераторе должна быть предусмот-
рена защита, действующая на его отключение при внешних коротких
замыканиях, которая должна срабатывать при отказе защиты повреж-
денного объекта.
Сверхтоки, обусловленные симметричной перегрузкой, появляются
при нерасчетных технологических процессах у потребителей, при вне-
запном отключении параллельно работающих генераторов, при само-
запуске электродвигателей и т.п. При перегрузках изоляция обмотки
статора перегревается, что приводит к сс ускоренному старению или
разрушению. Из-за тепловой инерции температура обмотки изменяет-
ся не скачком, а постепенно. Поэтому перегрузку не требуется отклю-
чать сразу и можно принять меры для ее снижения или устранения. До-
пустимое время перегрузки зависит от того, насколько она превышает
номинальный режим. При малых перегрузках (например 10 %-й) допу-
стимое время измеряется десятками минут, при большой (например,
двукратной) — не более 1 мин.
Сверхтоки, обусловленные несимметричной перегрузкой, появляют-
ся при неполнофазных режимах (обрыв одной из фаз, отказ во включе-
нии или отключении выключателя одной из фаз) и при значительных
однофазньгх нагрузках, неравномерно загружающих три фазы системы.
Несимметричная нагрузка ведет к образованию составляющих токов
обратной последовательности, которые создают магнитное поле стато-
ра, вращающееся в сторону, обратную направлению вращения ротора.
Пересекая обмотки и нешихтованную сталь ротора с двойной частотой,
это поле наводит в них ЭДС и ток, который дополнительно нагревает
обмотки возбуждения и вызывает, кроме того, вибрацию генератора.
Неограниченно долго может существовать режим, при котором нера-
венство токов в фазах не превышает 10 % для турбогенераторов и 20 %
для гидрогенераторов, при условии, что ни в одной из фаз ток не превы-
шает номинального режима. При увеличении тока обратной последо-
вательности допустимое время работы сокращается тем больше, чем
больше значение этого тока.
Повышение напряжения генератора является следствием внезапного
и глубокого снижения или отключения его нагрузки, что влечет за со-
бой увеличение частоты вращения ротора. Величина повышения уров-
325
ня напряжения и длительность существования такого явления зависят
от скорости действия регуляторов частоты вращения генераторов. У тур-
богенераторов эти регуляторы являются быстродействующими, у гид-
рогенераторов — медленнодействующими. Соответственно повышение
напряжения у турбогенераторов является небольшим и кратковремен-
ным, а у гидрогенераторов напряжение может возрасти в 1,5—2 раза.
Такое увеличение напряжения может привести к пробою изоляции об-
моток статора или обмоток подключенных к нему трансформаторов.
Поэтому гидрогенераторы, а также турбогенераторы мощностью 160
МВт и более, работающие в блоке с трансформаторами, оборудуются
защитой от увеличения напряжения.
Потеря возбуждения (исчезновение тока в обмотке ротора, создаю-
щего вращающееся магнитное поле) может явиться последствием не-
исправностей в системе возбуждения или случайного срабатывания ус-
тройства автоматического гашения поля. (АГП). При этом генератор
переходит в асинхронный режим, при котором возрастает частота вра-
щения ротора и возникает пульсация тока статора. Такой режим осо-
бенно опасен для гидрогенераторов, а также турбогенераторов большой
мощности с непосредственным охлаждением обмоток статора (при та-
кой системе охлаждающая среда — вода или воздух — циркулирует внут-
ри токоведущих частей, плотность тока в которых может быть поэтому
существенно повышена). Турбогенераторы с косвенным охлаждением
менее чувствительны к такому режиму, однако потеря возбуждения мощ-
ного генератора приводит к возникновению дефицита реактивной мощ-
ности в энергосистеме, снижению напряжения и может явиться причи-
ной нарушения устойчивости параллельной работы.
Перегрузка обмотки ротора током возбуждения опасна, главным об-
разом, для турбогенераторов с непосредственным охлаждением провод-
ников обмоток. Такой режим может быть следствием длительной фор-
сировки возбуждения.
Основные виды защит. Для турбогенераторов с напряжением выше 1 кВ
мощностью 1 МВт и менее, работающих непосредственно на сборные
шины генераторного напряжения, предусматриваются защиты от сле-
дующих видов повреждений и нарушений нормального режима рабо-
ты [38]:
• многофазных замыканий в обмотке статора генератора и на его
выводах;
• однофазных замыканий на землю, одно из которых возникло в
обмотке статора, а второе — во внешней сети;
326
• внешних коротких замыканий;
• симметричной нагрузки обмотки статора.
Для турбогенераторов мощностью более 1 МВт дополнительно к пе-
речисленным предусматриваются защиты от:
• замыкании между витками одной фазы в обмотке статора (при на-
личии выведенных параллельных ветвей обмотки);
• перегрузки токами обратной последовательности (для генерато-
ров с непосредственным охлаждением проводников обмоток);
• замыкания на землю во второй точке цепи возбуждения;
• асинхронного режима с потерей возбуждения.
Особенности защиты блоков генератор-трансформатор (в том числе
и с гидрогенераторами) изложены в [16, 38].
Защиту генераторов напряжением до 1 кВ и мощностью до 1 МВт с
незаземленной нейтралью от всех видов повреждений и ненормальных
режимов работы следует осуществлять с помощью автоматического вык-
лючателя с максимальными расцепителями или выключателя с макси-
мальной токовой защитой в двухфазном исполнении, устанавливаемых
на выводах генератора. Если такие выводы имеются и со стороны нейт-
рали, то указанную защиту, если возможно, следует присоединять к
трансформаторам тока, установленным на этих выводах. Защиту таких
же генераторов, но с глухозаземленной нейтралью следует устанавли-
вать в трехфазном исполнении [24, 38].
5.2. Защита обмотки статора
Защиты от многофазных коротких замыканий. Для генераторов с на-
пряжением выше 1 кВ мощностью более 1 МВт, имеющих выводы от-
дельных фаз со стороны нейтрали, основной защитой является продоль-
ная дифференциальная защита (рис. 5.1).
Схема, приведенная на рис. 5.1, а, применяется для генераторов
мощностью менее 30 МВт. Четыре одинаковых трансформатора тока
образуют две группы TAI и ТАЛ, каждая из которых состоит из двух
трансформаторов, устанавливаемых в двух фазах и соединенных в не-
полную звезду. Трансформаторы тока ТАИ размещают со стороны ну-
левой точки генератора. Зона защиты располагается между трансфор-
маторами тока первой и второй групп. Защитное заземление вторич-
ных цепей трансформаторов тока для обеих групп выполняется в одном
месте у реле.
327
Рис. 5.1. Схемы продольной дифференциальной защиты генератора
Через реле KAI, КА2 протекают разности токов вторичных цепей
трансформаторов тока обеих групп соответствующей фазы. Поскольку
трансформаторы тока приняты одинаковыми, то в нормальном режиме
работы генератора эти разности равны нулю и реле нс срабатывают. При
коротком замыкании между двумя или тремя фазами на участке внутри
зоны защиты разность токов вторичных цепей трансформаторов тока в
соответствующих фазах нулю не равна. Это приводит к срабатыванию
одного или обоих реле (KAI, КА2) и отключению выключателя Q.
Недостатком этой схемы является то, что она не реагирует на двой-
ные замыкания на землю (одно в сети, другое в обмотке статора), если в
генераторе замкнется на землю та фаза статора, в которой отсутствуют
трансформаторы тока.
Рассматриваемую схему можно применять в тех случаях, когда гене-
ратор снабжается специальной защитой от двойных замыканий на зем-
лю. Если генератор не имеет такой защиты, а для генераторов мощнос-
тью более 30 МВт во всех случаях, продольная дифференциальная за-
щита выполняется в трехфазном исполнении (рис. 5.1, б), действующем
на отключение выключателя Q и остановку турбины. Реле тока КАО,
включенное в нулевой провод, предназначено для сигнализации об об-
рыве соединительных проводов защиты. Его ток срабатывания прини-
328
мают равным (0,2—0,3) /ном/^р, где /ном — номинальный ток генерато-
ра; К? — коэффициент трансформации трансформатора тока.
Ток срабатывания защиты выбирают по условию
сз з нб,рас’
(5.1)
где /нб рас — расчетный ток небаланса, проходящий в реле при внешних корот-
ких замыканиях, обусловленный, в частности, допускаемым несовпадением
характеристик трансформаторов тока, насыщением их магнитопроводов при
больших токах короткого замыкания, неравенством сопротивлений соедини-
тельных проводов плеч защиты;
к- —- коэффициент запаса (1.3).
Величину расчетного тока небаланса вычисляют по выражению
нб,рас
~к к &I
ап одн к,max
(5.2)
где к^ — коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляю-
щей тока короткого замыкания на дополнительную погрешность трансформа-
торов тока в переходном режиме, принимаемый равным от 1,5 до 2;
^одн — коэффициент однотипности трансформаторов тока, принимаемый
равным 0,5;
е — полная погрешность трансформатора тока, принимаемая равной 0,1;
7К тах — расчетный ток внешнего короткого замыкания.
Величину IK тах вычисляют для двух режимов: трехфазное короткое
замыкание на шинах генераторного напряжения одиночно работающе-
го генератора и повреждение генератора, включаемого методом само-
синхронизации. В формуле (5.2) используется большее из вычисленных
значений IK тах.
Выбранная уставка защиты /сз проверяется на чувствительность по
условию кч = 1к пЦпДсзз где /к — ток двухфазного короткого замыка-
ния на выводах генератора при том режиме, в котором было получено
наименьшее значение /к тах. Коэффициент чувствительности должен
быть не менее 2.
Ток срабатывания /сз продольной дифференциальной защиты не дол-
жен превышать 0,6 /ном. Допускается выполнять защиту с током сраба-
тывания (1,3—1,4) /ном для генераторов с косвенным охлаждением мощ-
ностью до 30 МВт. Для уменьшения тока небаланса целесообразно ис-
пользовать в защите реле тока с насыщающимися трансформаторами (см.
ниже п. 7.4), при использовании которых в выражении (5.2) принимают
к^ц == 1. Ток срабатывания реле в схемах, приведенных на рис. 5.1, равен
329
Рис. 5.2. Токовая отсечка
генератора
/ср = 4з/^т’где ^т коэффициент транс-
формации трансформаторов тока.
Токовая отсечка может использовать-
ся для защиты от многофазных коротких
замыканий в обмотке статора генерато-
ров выше 1 кВ мощностью до 1 МВт, ра-
ботающих параллельно с другими гене-
раторами или электроэнергетической
системой. Схема соединения реле при-
ведена на рис. 5.2. Токовая отсечка уста-
навливается со стороны выводов генера-
тора к сборным шинам и выполняется
без выдержки времени. Она может при-
меняться взамен продольной дифферен-
циальной защиты и для генераторов
большей мощности, не имеющих выво-
дов фаз со стороны нейтрали.
Уставка по току защиты выбирается по условию
I =к I? ,
сз отс я,max
(5.3)
где — расчетный ток трехфазного короткого замыкания при поврежде-
А\тах
нии на шинах;
&отс коэффициент отстройки, принимаемый для реле типа РТ-40 равным
1,2—1,3, а для реле типа РТ-80 1,5—1,6.
При параллельной работе электростанций возможны качания гене-
раторов, при которых по соединяющей их линии протекает большой урав-
нительный ток / Токовая отсечка при этом действовать не должна, так
как ее назначение — защита от повреждений в обмотках статора. Провер-
ка этого условия производится по формуле (5.3), в которую вместо
подставляют В качестве расчетного значения Тсз принимают боль-
шее из вычисленных по формуле (5.3) при учете ^3^ах или /ур.
Чувствительность защиты проверяют по коэффициенту чувствитель-
ности к^ = Дсз, где 7^.п — ток двухфазного короткого замыка-
330
ния на шинах в минимальном режиме. Коэффициент чувствительности
не должен быть ниже 2. Если это условие не соблюдается, то допускает-
ся вместо токовой отсечки применять продольную дифференциальную
токовую защиту.
Для одиночно работающих генераторов напряжением выше 1 кВ и
мощностью до 1 МВт отдельной защиты от многофазных замыканий в
обмотке статора не устанавливают. Защита от этого вида повреждений
совмещается с защитой от внешних коротких замыканий. Последняя же
может выполняться в виде максимальной токовой зашиты, присоединя-
емой к трансформаторам тока со стороны нейтрали. Допускается также
применение упрощенной минимальной защиты напряжения [24, 38].
Защиты от однофазных повреждений в обмотке статора. Защита от
замыканий на землю применяется на генераторах при собственном ем-
костном токе замыкания на землю 5 А и более. Она реагирует на пол-
ный ток замыкания на землю или на составляющие высших гармоник и
действует так же, как защита от многофазных замыканий в обмотке ста-
тора на отключение всех выключателей генератора, на гашение поля, а
также на остановку турбины. Как и в трехфазных электрических сетях с
изолированной нейтралью, обнаружение емкостного тока замыкания
на землю осуществляется с помощью трансформаторов тока нулевой
последовательности (ТТНП). Для повышения чувствительности в за-
щитах генераторов используют ТТНП с подмагничиванием.
Шинный ТТНП с подмагничиванием (рис. 5.3) состоит из двух зам-
кнутых магнитопроводов,
надетых на шины А, В, С, со-
единенные со статорными
выводами генератора. Маг-
нитопроводы изолированы
от шин. На каждом из магни-
топроводов имеется по две
обмотки: подмагничивания 7
и рабочие 2. Обмотки 7 со-
единены встречно и подклю-
чены к источнику тока под-
магничивания t/nM, в каче-
стве которого используется
измерительный трансформа-
тор напряжения. Обмотки 2
Рис. 5.3. Шинный трансформатор тока нуле-
вой последовательности с подмагничиванием
331
соединены согласно и к ним подключено чувствительное реле тока КА.
Поскольку обмотки 1 включены встречно, то ЭДС, наводимые ими в
обмотках 2, взаимно компенсируются и не влияют на работу реле КА.
При отсутствии замыкания на землю в цепях статора суммарный
магнитный поток вокруг шин А, В, С равен нулю, в обмотке 2 этот по-
ток ЭДС не наводит, реле КА не срабатывает. Замыкание на землю со-
провождается появлением токов, а следовательно, и магнитных пото-
ков нулевой последовательности вокруг шин. Эти потоки наводят в об-
мотках 2 обоих магнитопроводов ЭДС, которые складываются (из-за
согласного включения обмоток 2), и вызывают срабатывание реле КА.
Магнитные потоки нулевой последовательности невелики. ЭДС,
наводимые ими в обмотках 2, сравнительно малы еще и потому, что при
этом магнитопроводы ТТНП слабо намагничены и работают в области
малых значений магнитной проницаемости характеристики намагни-
чивания. Подмагничивание магнитопроводов выводит их характерис-
тику намагничивания в область наибольшей ее крутизны, где магнит-
ная проницаемость велика. Поэтому наводимая в обмотках 2 ЭДС (при
той же величине магнитных потоков нулевой последовательности) имеет
значительно большее значение, чем без подмагничивания.
Следует иметь в виду, что в действительности при отсутствии замы-
кания обмотки статора на землю через реле КА протекает небольшой
ток небаланса /нб, обусловленный неидентичностью магнитопроводов
ТТНП и несимметричным расположением шин А, В, С относительно
вторичных обмоток. При внешних коротких замыканиях величина тока
/нб значительно возрастает и может вызвать неверное действие защиты.
Это обстоятельство следует учитывать при выборе уставки.
Схема, приведенная на рис. 5.4, содержит две защиты: от замыканий
на землю в обмотке статора и от двойных замыканий на землю, когда
одно из них находится в обмотке статора, а другое — в сети.
Защита от замыканий на землю в обмотке статора выполняется реле
тока КА1. При срабатывании этого реле его контакты КА1 запускают реле
времени КТ (выдержка времени от 1 до 2 с), контакты которого через ука-
зательное реле КН1 подают напряжение на промежуточное реле KL1.
Выдержка времени необходима для предотвращения неправильных дей-
ствий, которые могут возникнуть из-за переходных процессов при замы-
каниях на землю во внешней сети. Срабатывание промежуточного реле
KL1 приводит к отключению выключателя Q и включению АГП.
Контакты KL принадлежат защите от внешних коротких замыканий
(на рис. 5.4 нс показана), при которых защита от замыканий на землю
332
+ЕС
-EC
Рис. 5.4. Схема защиты генератора от замыканий на землю
должна выводиться из работы для предотвращения ее неверных дей-
ствий. Трансформатор тока ТА выполнен как ТТНП (см. рис. 5.3).
Защита от двойных замыканий на землю (одно замыкание в обмотке
статора, другое — во внешней сети) осуществляется реле КА2.
Ток срабатывания реле КА2 выше, чем у реле КА1. Ток срабатыва-
ния защиты от замыканий на землю (реле КА1) должен быть меньше
5 А [38] и больше тока небаланса, проходящего через ТТНП при внеш-
нем двухфазном коротком замыкании [16, 24]:
С31
отс с отс нб7/ в’
(5.4)
где /с — емкостной ток генератора, приводимый в его справочных данных;
/нб — расчетный ток небаланса;
С ““ коэффициент отстройки (2—3);
— коэффициент отстройки (1,3—1,5);
ОТС
Лв — коэффициент возврата.
Обычно принимают /нб равным 1—1,5 А, кв = 0,8 для реле РТ-40 и
кв = 0,5 для реле РТЗ-50.
Ток срабатывания /сз2 защиты, выполненный на реле КА2, должен
быть отстроен от наибольшего тока в этом реле при внешних КЗ, что
соответствует со значительным запасом значению /сз2 = 100 А.
Защита от замыканий между витками одной фазы применяется для ге-
нераторов с выведенными параллельными ветвями обмотки статора. Она
действует на отключение всех выключателей генератора, гашение поля, а
333
Рис. 5.5. Поперечная дифферен-
циальная токовая защита генера-
тора
также на остановку турбины. Схема
включения трансформаторов токаи реле
приведена на рис. 5.5. Такая схема но-
сит название односистемной поперечной
дифференциальной токовой защиты.
Каждая из параллельных ветвей соеди-
няется в звезду, нулевые точки которых
соединяются. В цепь между ними вклю-
чен измерительный трансформатор тока
ТА. Во вторичную обмотку ТА включе-
но реле тока КА через частотный фильтр
ZF, пропускающий только составляю-
щую тока промышленной частоты.
В нормальном режиме, а также при внешних коротких замыканиях,
токи параллельных ветвей обмотки статора одинаковы. Через ТА про-
текает разность этих токов, которая в идеальном случае должна быть
равна нулю. На самом деле в линии, соединяющей нулевые точки звезд,
протекает ток небаланса /нб, обусловленный искажением кривой ЭДС
параллельных ветвей обмоток в фазах. Ток /нб содержит высшие гармо-
ники, кратные трем, которые фильтруются фильтрами ZF и не пропус-
каются в реле КА.
При витковом замыкании равенство токов в параллельных ветвях
нарушается, их разность становится нс равной нулю и через ТА проте-
кает уравнительный ток, вызывающий срабатывание реле КА.
Для того чтобы реле КА не срабатывало излишне при внешних корот-
ких замыканиях, при которых величина тока небаланса 7н6 возрастает,
уставку защиты /сз принимают равной (0,2—0,3) /ном, где /ном — номи-
нальный ток генератора. Срабатывание реле КА через промежуточные
реле и выходной орган защиты приводит к отключению выключателя Q.
5.3. Защита генератора от внешних коротких замыканий
и ненормальных режимов
Максимальная токовая защита применяется для защиты от внешних
коротких замыканий генераторов напряжением выше 1 кВ мощностью
до 1 МВт и присоединяется к трансформаторам тока со стороны нейт-
рали (рис. 5.6). Цепи управления выполняются так, как показано на рис.
4.2. Ток срабатывания защиты выбирается по условию
334
сз
ном
(5.5)
где к3 — коэффициент запаса (от 1,1 до 1,2);
ксз — коэффициент самозапуска, учитыва-
ющий возрастание тока при самозапуске элек-
тродвигателей после отключения внешнего
короткого замыкания (1,5—1,7);
к* — коэффициент возврата;
/ном ~~ номинальный ток генератора, А.
Выдержку времени устанавливают по
ступенчатому принципу, как принято для
Рис. 5.6. Максимальная
токовая защита генератора
максимальной токовой защиты: на одну
ступень выше, чем у защит от внутренних
повреждений. Она согласуется также с вы-
держками времени защит отходящих присоединений. Чувствительность
защиты проверяют по коэффициенту чувствительности при двухфазных
коротких замыканиях на выводах одиночно работающего генератора
(£ - / AJ, который не должен быть менее 1,5.
1 rVjlIll.IL
Минимальная защита напряжения может использоваться вместо мак-
симальной токовой защиты для генераторов напряжением выше 1 кВ и
мощностью до 1 МВт. Схема такой защиты приведена на рис. 5.7. Три
реле напряжения KV1, KV2, КУЗ подключены к трансформатору напря-
жения через автоматический выключатель SF. При снижении напряже-
ния контакты реле напряжения замыкаются и запускают реле времени
КТ Замыкание контактов реле КТ вызывает срабатывание промежуточ-
ного реле KL, которое отключает выключатель Q. При выведении за-
щиты из работы (отключение выключателя SF) вспомогательный кон-
такт SF.1 разрывает цепь реле KL.
Для турбогенераторов уставку UC3 принимают по условию J7C3 < (0,6—
°’7) Чтом’ Д™ гидрогенераторов — UC3 < (0,5—0,6) Цюм, где Ц10М — но-
минальное напряжение генератора.
Выдержка времени принимается на ступень больше максимального
времени действия других защит. Чувствительность проверяется по ко-
эффициенту чувствительности к =U /и^ , где — напря-
ч сз к ,тах л, max
жение на выводах генератора при трехфазном коротком замыкании в
335
Рис. 5.7. Максимальная защита напряжения генератора
конце зоны резервирования. Коэффициент чувствительности должен
быть не менее 1,2.
Максимальная токовая защита с комбинированным пуском напряже-
ния используется для защиты от внешних коротких замыканий генера-
торов мощностью 1—30 МВт. Схема защиты приведена на рис. 5.8. В за-
щиту входят: реле тока KAI, КА2, КАЗ, реле минимального напряже-
ния KV1 и реле максимального напряжения KV2, подключенное ко
вторичным цепям трансформатора напряжения TV через фильтр напря-
жения обратной последовательности ZV2. Реле КА4 предназначено для
действия с выдержкой времени при перегрузке.
При внешних несимметричных коротких замыканиях срабатывает
реле KV2. Своими контактами оно разрывает цепь воспринимающего
органа реле напряжения KV1. Контакты KV1.1 этого реле замыкаются
и срабатывает промежуточное реле KL. Если при этом замкнут контакт
хотя бы одного из реле тока KAI, КА2 или КАЗ, то запускается реле вре-
мени КТ1. Реле времени имеет две выдержки времени (уставки): пер-
вую (меньшую) и вторую (ббльшую). По истечении времени, соответ-
ствующего первой уставке, замыкается проскальзывающий контакт
КТ 1.1, в результате чего подается управляющий сигнал на отключение
секционных и шиносоединительных выключателей трансформатора,
связывающих данную секцию или систему шин с соседними. По исте-
чении времени, соответствующего второй уставке, замыкается контакт
336
Рис. 5.8. Схема максимальной токовой защиты с комбинированным пуском
напряжения
КТ1.2 и подается сигнал на отключение выключателя Q и автоматичес-
кое гашение поля генератора.
Напряжение срабатывания реле KV1 принимают как для минималь-
ной защиты напряжения: /7сз<(056—0,7) (7Н0М — для турбогенераторов,
(7СЗ < (0,5—0,6) (7НОМ — для гидрогенераторов. Вторичное напряжение
срабатывания реле KV2 по опыту принимают равным 6 В. Уставку реле
тока KAI, КА2, КАЗ выбирают по формуле (5.5) при kZ3 — 1.
Коэффициенты чувствительности — для минимальной защиты
напряжения (реле KV1), к^ — для защиты по напряжению обратной
последовательности (реле KV2) и кч$ — для токовых органов защиты
вычисляют по формулам:
к U U /(2)
т _ в сз к 2fr,min , _ /с,min
Si МЗ) ’ ч2 и ’ S3 j ’
ик,тах сз сз
где минимальное значение напряжения обратной последовательнос-
ти в месте установки защиты при коротком замыкании в конце зоны резерви-
рования;
кв — коэффициент возврата.
337
Величина коэффициентов чувствительности должна быть не менее 1,2.
Максимальная токовая защита обратной последовательности пред-
назначена для генераторов мощностью более 30 МВт. Она содержит
фильтр тока обратной последовательности ZA2 (рис. 5.9) с подключен-
ными к нему реле тока КА2, КАЗ, действующими при внешних несим-
метричных коротких замыканиях, а также реле тока КА1 и минималь-
ное реле напряжения KV для действия при внешних трехфазных корот-
ких замыканиях.
Реле времени КТ, как и в предыдущей защите, имеет две уставки.
Первая уставка реализуется проскальзывающим контактом, вторая ус-
тавка — упорным. Выдержка времени первой уставки меньше, чем вто-
рой. Если реле времени не имеет проскальзывающих контактов, то в
схеме управления следует использовать два реле времени.
При возникновении внешнего несимметричного короткого замыка-
ния срабатывает реле КА2, контакты которого включают в работу реле
времени КТ Через промежуток времени, соответствующий первой ус-
тавке, замыкается контакт КТ1.1, который подает питание на промежу-
точное реле (на схеме не показано), действующее на отключение сек-
ционных и шиносоединительных выключателей, связывающих данную
секцию или систему шин с соседними. Затем через промежуток време-
ни, соответствующий второй уставке, замыкается контакт КТ1.2, кото-
рый подает напряжение на свое промежуточное реле (на схеме не пока-
зано), действующее на отключение выключателя Q и включение АГП.
Рис. 5.9. Схема максимальной токовой защиты обратной последовательности
338
При возникновении перегрузки генератора током обратной после-
довательности срабатывает реле тока КАЗ и осуществляется сигнализа-
ция об этом опасном режиме. В случае внешнего трехфазного коротко-
го замыкания срабатывают одновременно реле тока КА1 и минималь-
ное реле напряжения KV и (так же, как при срабатывании реле КА2)
запускают реле времени КТ.
Ток срабатывания реле КА2 выбирается таким, чтобы защита от внешних
несимметричных коротких замыканий срабатывала при <(0,5—0,6) /ном,
где /ном — номинальный ток генератора. Ток срабатывания реле КАЗ
выбирается больше допустимого для генератора тока несимметрии в
нормальном режиме (обычно ZC3 = 0,1 /ном). Выбор уставки реле КА1 и
KV, осуществляющих максимальную токовую защиту с пуском по ми-
нимальному напряжению, производится как для реле соответственно
KAI (КА2, КАЗ) и KV1 максимальной токовой защиты с комбиниро-
ванным пуском напряжения.
Более сложной является защита мощных генераторов (от 60 МВт и
выше).
Защита от перегрузок. Защита от симметричных перегрузок осуще-
ствляется максимальной токовой защитой (реле КА4 на рис. 5.8) или
максимальной токовой защитой с пуском минимального напряжения
(реле КА1 и KV на рис. 5.9). Ток срабатывания органов защиты опреде-
ляют по условию (5.5). Если имеется пуск минимального напряжения,
то принимают kC3 — 1. Выдержку времени устанавливают больше, чем у
защиты от внешних повреждений.
Защита от несимметричной перегрузки осуществляется с помощью
фильтров тока обратной последовательности. Пример такой защиты
показан на рис. 5.9 (фильтр ZA2 и реле тока КАЗ). Для мощных гене-
раторов несимметричная нагрузка опасна из-за перегрева ротора при
наличии в статоре токов обратной последовательности. Поскольку теп-
ловая инерция ротора достаточно велика, то защита от перегрузки то-
ками обратной последовательности выполняется с выдержкой време-
ни, величина которой устанавливается тем меньше, чем больше вели-
чина этого тока.
Турбогенераторы мощностью 160 МВт также снабжаются защитой
от повышения напряжения с уставкой 1,2 Z7H0M, которая с выдержкой
времени около 3 с вводится в действие при переходе генератора в режим
холостого хода. При срабатывании она действует на АГП без выдержки
времени.
339
5.4. Защита от замыканий на землю обмотки возбуждения
Защита от замыкания на землю в одной точке применяется на гидроге-
нераторах, турбогенераторах с водяным охлаждением обмотки ротора и на
всех турбогенераторах мощностью 300 МВт и выше. На гидрогенераторах
она действует на отключение, на турбогенераторах — на сигнал.
В схеме защиты (рис. 5.10) использован промежуточный трансфор-
матор TL, первичная обмотка которого подключена к шинам собствен-
ных нужд напряжением 220 В. В цепь вторичной обмотки включены реле
тока КА и переключатель SA, а также контакты KL.2 промежуточного
реле KL. Один вывод вторичной обмотки трансформатора TL подклю-
чен к выводу обмотки возбуждения LG, второй — к земле (к валу ротора
через специальную щетку), чтобы исключить протекание постоянного
тока через трансформатор TL, во вторичную обмотку включен конден-
сатор С. Предусмотрены также предохранители F1 и F2.
Переключателем SA устройство включается в работу.
При появлении в обмотке возбуждения ОВ точки замыкания на зем-
лю через реле тока КА проходит переменный ток и оно срабатывает.
С выдержкой времени, определяемой реле времени КТ, приходит в дей-
ствие промежуточное реле KJL, которое самоблокируется через свои кон-
такты KJL.1, отключает трансформатор TL от обмотки возбуждения ОВ
и включает аварийную сигнализацию.
При пробое конденсатора С во вторичной обмотке трансформатора
TL возникает короткое замыкание (при наличии в обмотке ОВ замыка-
ния на землю), которое отключается предохранителями F1 и F2.
LG +ЕС -ЕС
Рис. 5.10. Схема защиты обмотки возбуждения от замыканий на землю в одной
точке
340
Защита от замыкания на
землю во второй точке обмотки
возбуждения устанавливается
на турбогенераторах в одном
комплекте для всех генераторов
электростанции. Она подклю-
чается двухполюсным рубиль-
ником S (рис. 5.11) к тому из
них, у которого обнаружено за-
мыкание на землю в одной точ-
Рис. 5.11. Схема защиты от замыканий
на землю во второй точке обмотки
возбуждения
ке. Защита содержит потенциометр RP, подключаемый к выводам об-
мотки возбуждения LG (к кольцам ротора генератора). Средний вывод
потенциометра соединен с землей через основную обмотку двухобмо-
точного реле тока КА и реактор L.
При наличии замыкания на землю в одной точке, например К1, в
обмотке возбуждения какого-либо из генераторов устройство подклю-
чается к ней и балансируется потенциометром RP. Поскольку плечи
потенциометра (относительно его среднего вывода) и плечи обмотки
возбуждения LG (относительно первой точки замыкания К1) образуют
четырехплечный мост, в диагональ которого включено реле тока КА, то
изменением положения среднего вывода потенциометра можно добить-
ся режима, при котором постоянный ток в реле КА отсутствует. Этот
режим фиксируется вольтметром PV, показания которого не должны
превышать 0,5 В. Балансировка устройства осуществляется при снятой
накладке SX. После окончания балансировки эта накладка устанавли-
вается на место и защита включается в работу.
Из-за неравномерности воздушного зазора ротора через реле КА
может проходить переменный ток, вызывая его срабатывание. Величи-
ну переменного тока удается существенно уменьшить включением ре-
актора L. Кроме того, дополнительная обмотка реле КА подключена к
промежуточному трансформатору тока TLA так, чтобы магнитодвижу-
щие силы основной и дополнительной обмоток были направлены
встречно. Это еще больше снижает влияние переменного тока на рабо-
ту реле КА [24].
При появлении второго замыкания на землю (точка К2) баланс мос-
та нарушается, через реле КА протекает ток и оно сработает. С выдерж-
кой времени защита действует на отключение выключателя.
341
5.5. Микропроцессорная защита генераторов малой
и средней мощности
Микропроцессорные комплекты позволяют объединить необходи-
мое число защит, элементов автоматики и самодиагностики в едином
корпусе. Примером такого комплекта являются блоки БМРЗ-Г, вы-
пускаемые НТЦ «Механотроника», предназначенные для выполнения
функций релейной защиты и автоматики генераторов напряжением
выше 1 кВ мощностью не свыше 30 МВт, не имеющих выведенных па-
раллельных ветвей в обмотках статора, а также генераторов напряже-
нием ниже 1 кВ, работающих с заземленной нейтралью.
БМРЗ-Г могут применяться в качестве резервных защит генерато-
ров, входящих в состав блоков генератор-трансформатор. В состав се-
рии БМРЗ-Г входят два устройства: БМРЗ-ГА — блок защиты генерато-
ров, рассчитанных на включение с самосинхронизацией, и БМРЗ-ГД —
блок дифференциальных защит генератора.
Функциональные возможности блоков приведены в табл. 5.1.
БМРЗ-ГА БМРЗ-ГД
• четырехстуленчатая МТЗ в трехфазном исполнении; • двухступенчатая ТЗНП; • неселективная сигнализация / защита от замыканий на землю; • защита от перегрузки токами обратной последовательности; • защита от асинхронного режима с контро- лем реактивной мощности; • защита максимальной активной мощности с выбором направления действия (пря- мое/обратное); • защита обратной мощности, выполненная как направленная минимальная токовая защита; • тепловая модель генератора; • защита от повышения напряжения; • контроль исправности цепей напряжения; • делительная защита (ДлЗ); • управление выключателем (МУ) • дифференциальная токовая отсечка (ДТО); • дифференциальная токовая защита генератора с торможе- нием (ДЗТ); • дифференциальная защита по сумме фазных токов и току нуле- вой последовательности (REF); • резервная защита от между- фазных КЗ — ненаправленная токовая отсечка; • резервная защита от замыка- ний на землю — ненаправлен- ная ТЗНП; • контроль исправности токовых цепей; • управление выключателем (только отключение) с действи- ем на АГП
Функции защиты. Максимальная четырехступенчатая токовая защи-
та (50/51, 50V/51V, 67) выполнена в трехфазном исполнении. Все сту-
342
пени максимальной токовой защиты (МТЗ) функционируют как направ-
ленные. Диаграмма направленности МТЗ задается для всех ступеней ус-
тавкой утла максимальной чувствительности в градусах.
Первая ступень МТЗ функционирует как токовая отсечка (без коррек-
ции тока срабатывания или пуска по напряжению и без выдержки вре-
мени). Вторая и третья ступени МТЗ могут использовать механизм кор-
рекции тока срабатывания по напряжению прямой последовательнос-
ти и/или пуск по напряжению обратной последовательности. Для каждой
ступени предусмотрена возможность срабатывания без выдержки време-
ни или с независимой выдержкой времени. Четвертая ступень МТЗ име-
ет возможность функционировать с зависимой выдержкой времени.
Дифференциальная защита с торможением (87G) выполнена в трех-
фазном исполнении; допускается подключение только двух фаз.
Защита реагирует на первую гармоническую составляющую тока не-
баланса без выдержки времени или с независимой выдержкой времени,
не превышающей 100 мс.
Защита содержит механизмы отстройки от переходных режимов: тор-
можение, блокировку по форме кривой дифференциального тока. В ка-
честве тормозной величины используется «сквозной» ток, вычисляемый
как геометрическая сумма токов плеч.
Тормозная характеристика имеет три участка: горизонтальный, уча-
сток торможения и участок блокировки.
Блокировка действия ДЗТ предусмотрена при обрыве токовых це-
пей. Обрыв выявляется по скорости изменения токов и величинам то-
ков в постпереходном режиме.
Максимальное время срабатывания при кратности тока небаланса к
уставке 1,2 с учетом торможения не превышает 50 мс.
Дифференциальная токовая отсечка (87) выполнена в трехфазном
исполнении; допускается подключение только двух фаз. Защита реаги-
рует на первую гармоническую составляющую тока небаланса без вы-
держки времени. Максимальное время срабатывания при кратности тока
небаланса к уставке 1,2 не превышает 35 мс.
Дифференциальная зашита по сумме фазных токов и току нулевой пос-
ледовательности (REF-дифференциал). 64REF реагирует на первую гар-
моническую составляющую дифференциального тока, вычисляемую как
разность тока нейтрали и геометрической суммы фазных токов.
Защита снабжена механизмами отстройки от переходных режимов:
торможением, блокировкой по форме кривой дифференциального тока.
343
В качестве тормозной величины используется действующее значение
суммы фазных токов.
При обрыве токовых цепей предусмотрена блокировка действия
REF-дифференциала.
Максимальное время срабатывания при кратности тока небаланса к
уставке 1,2 с учетом торможения не превышает 50 мс.
Резервная защита — токовая отсечка (50) предназначена для резер-
вирования дифференциальных защит.
Токовая отсечка выполнена трехфазной, реагирующей на первую гар-
моническую составляющую фазных токов.
Токовая защита нулевой последовательности — ТЗНП (50N/51N, 51G,
67N) предназначена для эксплуатации в сетях с изолированной и зазем-
ленной нейтралью, в том числе с резистивным заземлением нейтрали.
Чувствительная ступень ТЗНП выполнена направленной, реагиру-
ющей на полный ток замыкания на землю. Диаграмма направленности
настраивается уставкой угла максимальной чувствительности в граду-
сах. Ступень срабатывает без выдержки времени или с независимой
выдержкой времени.
Грубая ступень ТЗНП выполнена ненаправленной, реагирующей на
первую гармоническую составляющую тока нулевой последовательно-
сти. Ступень срабатывает без выдержки времени.
Резервная защита — ненаправленная ТЗНП (50N/51N) предназначе-
на для резервирования действия дифференциальных защит при одно-
фазных замыканиях на землю в сети с заземленной нейтралью, в том
числе через резистор.
Защита срабатывает по полному току нулевой последовательности.
Неселективная сигнализация / защита от замыканий на землю (59N)
выполнена как защита максимального напряжения нулевой последова-
тельности с двумя независимыми выдержками времени. С одной вы-
держкой времени функция действует на сигнал, с другой — на отключе-
ние защищаемого генератора.
Защита от перегрузки токами обратной последовательности (46) вы-
полнена с контролем тока обратной последовательности и срабатывает
с независимой выдержкой времени.
Для блока БМРЗ-ГС вычисление тока обратной последовательнос-
ти выполнено по двум фазным токам.
Защита от асинхронного режима (32Q) выполнена как защита мак-
симальной реактивной мощности и действует на отключение с незави-
симой выдержкой времени.
344
Защита максимальной активной мощности (32Р) реагирует на пре-
вышение уставки по активной мощности в выбранном направлении.
Диатрамма направленности является единой с диаграммой МТЗ. Воз-
можность выбора направления срабатывания — прямое или обратное.
Защита предусмотрена на отключение и/или сигнализацию с неза-
висимой выдержкой времени.
Защита обратной мощности (37R) выполнена как направленная ми-
нимальная токовая защита с независимой выдержкой времени. Исполь-
зуется единая с МТЗ диаграмма направленности. Срабатывание защи-
ты происходит в выбранном направлении — прямом или обратном.
Защита от повышения напряжения (59) реагирует на повышение дей-
ствующих значений фазных напряжений и действует на отключение и/или
сигнал с независимой выдержкой времени.
Тепловая модель генератора (49) — комплексная защита от всех видов
перегрузок. Защита производит в реальном масштабе времени решение
уравнения теплового баланса с учетом влияния высших гармонических
составляющих и тока обратной последовательности. Решение уравне-
ния теплового баланса выполняется в относительных единицах.
Защита имеет две уставки по перегреву со срабатыванием на сигна-
лизацию и отключение.
Контроль исправности токовых цепей (60L). Обрыв выявляется по ско-
рости изменения и величинам токов в постпереходном режиме. Функция
действует на сигнализацию и блокировку дифференциальных защит.
Контроль исправности цепей напряжения (60L). Исправность цепей
напряжения контролируется сравнением значения напряжения нуле-
вой последовательности, измеренного на разомкнутом треугольнике с
вычисленным пофазным напряжениям. Контролируется состояние
блок-контакта автомата цепей напряжения.
Функция действует на сигнализацию и блокировку защит, использу-
ющих напряжения.
Делительная защита (90) предназначена для отделения одиночного
генератора, подключенного непосредственно на шины 6—10 кВ подстан-
ции и работающего параллельно с энергосистемой. Делительная защи-
та в блоке генератора используется только при отсутствии такой защи-
ты на вводе от энергосистемы.
Делительная защита содержит следующие пусковые органы: макси-
мальный — тока обратной последовательности (12>), минимальный —
фазных напряжений (U<), максимальный ~ напряжения обратной
последовательности (U2>), минимальный — частоты (f<) и максималь-
345
ный — тока нулевой последовательности (310>). Органы (I2>), (U<) и
(U2>) имеют общую выдержку времени (объединены по схеме «ИЛИ»);
органы (f<) и (ЗЮ>) имеют независимые выдержки времени.
Функции автоматики. Управление выключателем (94/96). Предусмот-
рено действие на включение и отключение выключателя по команде
функций защиты и автоматики, по дискретным сигналам, с пульта БМРЗ
и по АСУ. Предусмотрен также контроль положения выключателя и ис-
полнения команд управления, контроль готовности цепей управления.
Алгоритмы управления выключателем предполагают, что команда на
включение получена от внешнего устройства синхронизации.
Команда отключения действует на три независимых реле:
• отключение выключателя;
• отключение возбуждения;
• остановку турбины.
В блоке БМРЗ-ГД предусмотрена возможность запрета управле-
ния выключателем с пульта, дискретными сигналами и по АСУ про-
граммным ключом.
Резервирование отказов выключателя УРОВ (62). Функция УРОВ пре-
дусматривает два алгоритма — при отказе выключателя защищаемого
генератора (УРОВд) и при отказе выключателей вводов или генерато-
ров (УРОВп).
Функция УРОВд запускается по факту пуска любой защиты, действу-
ющей на отключение выключателя. С независимой выдержкой време-
ни осуществляется действие на отключение присоединений принадле-
жащих к той же системе шин, что и защищаемый генератор, на отклю-
чение вводных и секционных выключателей.
Функция УРОВп запускается внешним дискретным сигналом и дей-
ствует без выдержки времени на отключение выключателя защищаемо-
го генератора.
Устройство имеет до восьми аналоговых входов:
• диапазон измерения фазных токов, А..................0,25—64
• диапазон измерения тока нулевой последовательности, А ... 0,025—6,6
• диапазон токового входа от трансформатора в нейтрали, А... 0,25—64
• диапозон измерения фазных напряжений, В.............0,33—84
• диапазон входа напряжения разомкнутого треугольника, В .. 0,6—154
• диапазон измерения напряжения синхронизации, В......0,6—154
Схемы подключения блоков приведены на рис. 5.12 и 5.13.
346
Рис. 5.12. Схема подключения блока БМРЗ-ГА
БМРЗ-ГА
"ЦаП I»>
KU)»
иь 1 KU)>.t
Uc | I>.tl.t2
3Io>>
3Uo] 3Io>.t
3Io 1 3Uo>,tl.t2 12>
la ] <^>
P>
lb I HI<
Ic | E(I)
u>
ДлЗ
МУ
Рис. 5.13. Схема подключения блока БМРЗ-ГД:
а — при заземленной нейтрали генератора; б — при изолированной нейтрали
генератора или заземлении ее через резистор
347
Глава 6. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
6.1. Виды повреждений и ненормальных режимов
К основным видам повреждений для асинхронных и синхронных дви-
гателей относятся многофазные короткие замыкания, замыкания на зем-
лю одной фазы и витковые замыкания в одной фазе. Для синхронных
электродвигателей, кроме того, опасными являются обрывы в цепях воз-
буждения, приводящие к асинхронному режиму. Для двигателей посто-
янного тока опасны замыкания в цепи якоря и обрывы в цепи полюсов.
К ненормальным режимам двигателей всех видов относятся сверх-
токи технологической перегрузки, при понижении напряжения, при
обрыве фазы. В синхронном электродвигателе, кроме того, сверхтоки
возникают при переходе в аварийный режим.
При многофазных коротких замыканиях существенно возрастает ток,
термическое действие которого ведет к повреждению изоляции всей
обмотки, пережогу проводников и выплавлению железа статора элект-
рической дугой.
Однофазное замыкание на землю в сети с глухозаземленной нейтра-
лью является однофазным коротким замыканием и его последствия так-
же опасны, как при многофазных повреждениях. Если же нейтраль си-
стемы заземлена через дугогасящие реакторы или изолирована, то опас-
ность такого повреждения проявится лишь при замыкании на землю в
другой точке; в этом случае возникает двухфазное короткое замыкание
(двойное замыкание на землю).
При витковых замыканиях в одной фазе двигателей переменного тока
происходит местный перегрев изоляции из-за увеличения тока в замк-
нувшихся накоротко витках и ее разрушение. Кроме того, дополнитель-
ные разрушения вызываются и электрической дугой между замкнувши-
мися витками. Эти же явления имеют место при витковом замыкании в
якоре двигателей постоянного тока.
Обрывы в цепи возбуждения синхронных двигателей сопровождаются
значительным увеличением тока статора и переходом в асинхронный
348
режим. Однако такие обрывы чрезвычайно редки и защита от такого
повреждения устанавливается только для мощных электродвигателей.
Обрывы в цепи полюсов электродвигателей постоянного тока с парал-
лельным или независимым возбуждением приводят в режиме холосто-
го хода к разносу, при котором частота вращения якоря резко увеличи-
вается и он может разрушиться. Если же на валу двигателя имеется на-
грузка, то он остановится. Поскольку в остановленном якоре ЭДС не
наводится, то значительно возрастает ток якоря, что может привести к
разрушению изоляции.
При технологических перегрузках, когда тормозной момент приводи-
мого во вращение механизма превышает длительно допустимое значе-
ние, возрастает потребляемый двигателем из сети ток и его термическое
действие может разрушить изоляцию.
Такое же явление имеет место при понижении напряжения для синхрон-
ных, асинхронных двигателей переменного тока и для двигателей по-
стоянного тока (кроме двигателей с последовательным возбуждением).
Снижение напряжения уменьшает момент вращения на валу, при этом
синхронный двигатель может перейти в асинхронный режим, а для асин-
хронного двигателя возможно «опрокидывание», т.е. остановка. Возра-
стающий при этом ток вызывает перегрев двигателей.
При коротком замыкании в цепи, питающей группу электродвигате-
лей, напряжение снижается особенно сильно и двигатели останавлива-
ются. После автоматического отключения поврежденного элемента на-
пряжение восстанавливается и все двигатели переходят в режим самоза-
пуска. В этом режиме электродвигатель потребляет ток, в несколько раз
превышающий номинальное значение. При нормальном напряжении
этот режим не опасен из-за своей кратковременности. Однако, если в
режиме самозапуска всех двигателей суммарный ток будет слишком ве-
лик, то из-за увеличенного падения напряжения в сети уровень напряже-
ния окажется значительно ниже номинального, что затягивает и затруд-
няет процесс самозапуска двигателей и может привести к их перегреву.
Во избежание такой ситуации менее ответственные двигатели, а так-
же двигатели, для которых самозапуск недопустим по технологическим
причинам, при снижении напряжения следует отключать.
Обрыв фазы чаще всего имеет место при перегорании предохраните-
ля в одной фазе. При этом уменьшается вращающий момент на валу и
увеличивается ток статора. Защита от этого режима осуществляется, как
правило, защитой от перегрузки.
349
6.2. Защита асинхронного электродвигателя
Защиты от многофазных коротких замыкании. Токовая отсечка без
выдержки времени может иметь одно-, двух- и трехрелейное исполне-
ние (рис. 6.1).
Ток срабатывания токовой отсечки выбирают по условию
I = k I
сз отс пуск
(6.1)
где /пуск — максимальное значение пускового тока;
^отс ““ коэффициент отстройки, принимаемый равным для реле прямого
действия 2—2,5; для электромагнитного элемента индукционных реле типа
РТ-80 1,8—2,0; для электромагнитных и электронных реле — 1,4—1,5.
Ток срабатывания реле КА
(6.2)
где £сх — коэффициент схемы при трехфазном значении /пуСК.
Чувствительность защиты определяется коэффициентом чувстви-
тельности, вычисляемым по формуле (4.9) при к^ и , соответ-
сх л,min
ствующим двухфазному короткому замыканию на выводах электродви-
гателя. Коэффициент чувствительности должен быть не менее 2.
Схема, приведенная на рис. 6.1, а, предназначена для двигателей мощ-
ностью менее 5 МВт. Двухрелейная схема (рис. 6.1, б) используется для
Рис. 6.1. Схема токовой отсечки электродвигателей
350
двигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих защиту от однофазных
замыканий на землю, а также в тех случаях, когда для двигателей мощно-
стью менес2 МВтне удовлетворяются требования чувствительности. Если
двигатели мощностью 2 МВт и более не оборудованы защитой от замы-
каний на землю, то используется трехрелейная токовая отсечка (рис. 6.1,
в). Допускается защита в двухрелейном исполнении с дополнением ее
защитой от двойных замыканий на землю, выполненная с помощью
трансформатора тока нулевой последовательности и реле тока [38].
Продольная дифференциальная защита устанавливается на электро-
двигателях мощностью 5 МВт и более, а также менее 5 МВт, если токо-
вая отсечка не обеспечивает требований чувствительности. Для элект-
родвигателей эта защита выполняется так же, как и для синхронных
генераторов (см. п. 5.2). Если электродвигатель снабжен защитой от
замыканий на землю, то продольная дифференциальная защита вы-
полняется в двухфазном исполнении, а при отсутствии такой защи-
ты — в трехфазном.
Ток срабатывания защиты определяют по формуле (5.1), в которой
ток 46,рас принимают равным /нб рас = £отс/ном, где /ном - номиналь-
ный ток двигателя; &отс — коэффициент отстройки от пускового тока,
принимаемый равным 1,4—2,0. Использование специальных реле с тор-
можением (см. гл. 7) позволяет принимать &отс = 0,5.
Защита от замыканий на землю. Для двигателей мощностью до 2 МВт
такая защита применяется, если емкостный ток замыкания на землю
равен 10 А и более, а для двигателей мощностью более 2 МВт — при
токах 5 А и более. Защита от замыканий на землю выполняется с приме-
нением трансформатора тока нулевой последовательности (см. рис. 2.10).
Для мощных электродвигателей используют трансформатор тока нуле-
вой последовательности с подмагничиванием (см. рис. 5.3). Ко вторич-
ной обмотке этих трансформаторов подключаются чувствительные реле
PT-40/02, РТЗ-51, РСТ-13-04. При необходимости повысить чувстви-
тельность используют защиту ЗЗП-1 М (см. рис. 4.25).
Ток срабатывания защиты выбирают по формуле
сз отс б с,пов
(6.3)
где /с пов — значение собственного емкостного тока присоединения, А;
^отс ~ коэффициент отстройки, равный 1,2;
к§ — коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока
присоединения при возникновении внешнего замыкания на землю.
351
Для сети с изолированной нейтралью коэффициент принимают
равным от 2 до 3 для реле РТЗ-51 иЯРЭ2201, от 3 до 4 — для реле РТЗ-50
и РТ-40/02. Если нейтраль заземлена через резистор, то для всех реле к§
принимают равным 1,2—1,3.
Величину емкостного тока /с находят по формуле
с,пов с,д с,л’
(6.4)
где /с д — значение собственного емкостного тока двигателя, А;
1С л — значение собственного емкостного тока кабельной линии, входящей
в зону защиты, А.
Ток L п вычисляют по формуле
= 7з(пс и
д ном
(6.5)
где С/ном — номинальное линейное напряжение, В;
С — емкость фазы электродвигателя, указываемая заводом-изготовителем
или вычисляемая по приближенным формулам [86].
Величину тока L л находят по формуле
= 31 1т
с,л ко
(6.6)
где /ко — значение собственного емкостного тока одной фазы кабельной ли-
нии, А/км;
/ — длина кабельной линии, входящей в зону защиты, км;
т — число кабелей в линии.
Ток срабатывания защиты, вычисленный по формуле (6.3), не дол-
жен превышать 10 А для двигателей мощностью до 2 МВт и 5 А - для
двигателей мощностью более 2 МВт. Защита должна действовать без вы-
держки времени. Если, однако, вычисленное по формуле (6.3) значение
тока срабатывания превышает соответственно 10 и 5 А, то в защиту вво-
дят выдержку времени. Одновременно она дополняется реле тока с ус-
тавкой от 50 до 100 А, действующим на отключение без выдержки вре-
мени при двойных замыканиях на землю.
Защита от перегрузки предусматривается на электродвигателях, под-
верженных перегрузке по технологическим причинам и при особо тя-
желых условиях пуска и самозапуска длительностью 20 с и более. Защи-
та от перегрузки выполняется с помощью реле тока, устанавливаемого в
одной фазе, поскольку перегрузка относится к симметричным режимам.
352
Ток срабатывания защиты выбирают по формуле (4.7), в которой
Аплах — длительно допустимый ток двигателя, принимаемый равным
1,1 /д ном, где /д ном — номинальный ток двигателя. Коэффициент за-
паса k3 принимают равным 1,05 при действии защиты на сигнал и от 1,1
до 1,2 — при действии на отключение. Коэффициент возврата къ для реле
типов РТ-40, РТ-80 принимают равным 0,8; для реле PCT 11 и РСТ-13 —
равным 0,9. Выдержка времени защиты от перегрузки должна быть боль-
ше времени пуска и самозапуска: /сз > ^пуСК. Коэффициент запаса при-
нимают равным 1,3. Время пуска /пуск не должно превышать допусти-
мого времени нагрева /доп двигателя при перегрузке: tC3 > (0,8-0,9)гдоп.
Допустимое время перегрузки определяется по приближенной формуле
/Доп = А/(к2— 1), где А — постоянная величина; к — коэффициент пере-
грузки, т.е. отношение тока перегрузки /к номинальному току двигате-
ля {к = 7/7д ном). Для закрытых электродвигателей с большой массой и
размерами величину А принимают равной 250, для открытых — 150.
Защита от перегрузки может выполняться с зависимой выдержкой
времени с помощью реле РТ-80 или электронными реле, входящими в
состав комплексного устройства ЯРЭ-2201 [19].
Минимальная защита напряжения выполняется общей для всех элек-
тродвигателей секцией и содержит две ступени. Первая ступень отклю-
чает электродвигатели малоответственных механизмов, перерыв в ра-
боте которых на незначительное время не отражается на производствен-
ном процессе. Это дает возможность при восстановлении напряжения
обеспечить самозапуск более ответственных двигателей. Вторая ступень
отключает те двигатели из числа ответственных, которые при длитель-
ном отсутствии напряжения не должны входить в режим самозапуска
по условиям обеспечения безопасности или по условиям технологичес-
кого процесса. Особое внимание придается такому использованию за-
щиты, в котором обрывы в цепях напряжения не приводят к ложному
отключению электродвигателей.
Упрощенная схема минимальной защиты напряжения с фильтром на-
пряжения обратной последовательности ZV2 приведена на рис. 6.2. При
симметричном напряжении в нормальном режиме или при его снижении
составляющие обратной последовательности отсутствуют, поэтому контакт
KV1.1 реле KV1 замкнут, а его контакт KV1.2 разомкнут. Если же в цепи
трансформатора напряжения TV имеется обрыв, то появляются составля-
ющие нулевой последовательности, реле KV1 срабатывает, контакты KV1.1
размыкаются и выводят защиту из работы, а замкнувшиеся контакты KV 1.2
включают сигнализацию о неисправности цепей напряжения.
353
От TV
Рис. 6.2. Схема минимальной защиты напряжения электродвигателей
Если эти цепи исправны, то при снижении напряжения до 0,7{7НОМ,
где £7Н0М — номинальное напряжение на шинах, срабатывает первая сту-
пень защиты: реле минимального напряжения KV2 замыкает свои
контакты и запускает реле времени КТ1 с выдержкой времени от 0,5 до
1,5 с. При замыкании контактов КТ1 подается напряжение в цепи от-
ключения неответственных двигателей. Одновременно (при более глу-
боком снижении напряжения) срабатывает реле KV3 второй ступени с
уставкой (0,4—0,5) 17 и запускается реле времени КТ2. Если сниже-
ние (или отсутствие) напряжения длится достаточно долго (уставка реле
времени КТ2 принимается от 10 до 15 с), то отключаются ответствен-
ные двигатели. В защите используются реле напряжения обратной пос-
ледовательности РНФ-1М или РСН-13 и реле минимального напряже-
ния РН-54/160 или РСН-16.
Более подробные сведения о выборе уставок, в том числе для цифро-
вых защит, приведены в [37, 86].
6.3. Особенности защиты синхронных электродвигателей
Синхронные электродвигатели, так же как асинхронные, должны
снабжаться защитой от многофазных коротких замыканий, защитой
от замыканий на землю, защитой от перегрузки, минимальной защи-
той напряжения. Схемы защит описаны в п. 6.2. Одна из особеннос-
тей заключается в том, что защиты должны действовать не только на
отключение выключателей, но и на автомат гашения поля ДТП. Вмес-
те с тем синхронные двигатели оборудуются еще двумя защитами: от
асинхронного режима и потери питания.
354
Защита от многофазных коротких замыканий содержит токовую от-
сечку (см. рис. 6.1) и продольную дифференциальную защиту (см. рис. 5.1).
Ток срабатывания реле токовой отсечки выбирается по условию (6.2).
Кроме того должно выполняться условие, при котором токовая отсечка '
отстраивается от сверхпереходного тока Г двигателя, протекающего в
точку повреждения на шинах (к которым двигатель подключен), при
трехфазных КЗ [24]. Величина этого тока
Е*
I' — g I
Д X' + X д,ном’
d р
(6.7)
где /Г, X* — соответственно сверхпереходные ЭДС и сопротивление элект-
Ч d
родвигателя;
7Д ном — номинальный ток электродвигателя;
— сопротивление реактора, через который двигатель подключен к шинам.
Условие отстройки имеет вид:
ср
(6.8)
где — коэффициент запаса;
&сх — коэффициент схемы при трехфазном КЗ;
К? — коэффициент трансформации трансформаторов тока.
Расчетным является наибольшее из вычисленных по формулам (6.2)
и (6.8) значений.
Продольная дифференциальная защита выполняется так же, как для
синхронных генераторов (см. п. 5.2). Особенностью является необхо-
димость отстройки не только от пусковых токов, но и от внешних ко-
ротких замыканий. Последнее условие выполняется при подстановке в
формулу (5.2) значения 7* вместо 7taax.
Защита от замыканий на землю особенностей по сравнению с асинх-
ронными двигателями не имеет, так же как и защита от перегрузки.
Защита от потери питания. При исчезновении напряжения синхрон-
ный двигатель выходит из синхронизма. Некоторое время ротор продолжает
вращаться по инерции, однако частота его вращения снижается, снижается
и частота ЭДС обмотки статора. После действия устройств автоматического
повторного включения (АПВ) или автоматического включения резервного
питания (АВР) напряжение восстанавливается и происходит несинхронное
включение электродвигателей с током, значительно превышающим пус-
ковые. Для ряда двигателей этот режим опасен из-за возможных повреж-
дений, поэтому при потере питания их следует отключать. Для этой цели
может быть использована минимальная защита напряжения (см. рис. 6.2).
Другое решение защиты реализуется с помощью реле направления
мощности и реле частоты [24]. При изменении направления активной
мощности или ее исчезновении реле направления мощности снимает
запрет на действие реле времени. Уставка реле частоты принимается
равной от 48 до 48,5 Гц и, при снижении частоты до этого уровня, реле
частоты замыкает свой контакт, который запускает реле времени с ус-
тавкой от 0,3 до 0,5 с. По истечении времени уставки осуществляется
отключение двигателей, самозапуск которых нежелателен.
Защита от асинхронного режима. Синхронный двигатель может вый-
ти из синхронизма из-за снижения напряжения в питающей сети, при
уменьшении тока возбуждения, при возрастании тормозного момента
на валу (перегрузка приводимого механизма), что приводит к значитель-
ному возрастанию тока двигателя, появлению вибрации и, в конечном
счете, к повреждению двигателя. Защиту от этого режима можно вы-
полнить контролируя ток статора, отслеживая появление в обмотке ро-
тора переменной составляющей тока, а также с помощью реле направ-
ления мощности, которое фиксирует изменение знака активной мощ-
ности в статоре при асинхронном ходе и др.
При асинхронном ходе ток статора имеет пульсирующий характер и
состоит из синусоидальных полуволн одного знака (рис. 6.3, а). Реле
тока КА срабатывает, когда ток статора становится равным току сраба-
тывания реле 7ср (точки Ь), и размыкает контакты, когда ток статора
становится меньше тока возврата реле /вр (точки а). Поэтому в асинх-
ронном режиме контакты реле тока КА вибрируют (разомкнутое состо-
яние контактов длится время А/), что делает работу защиты неустойчи-
вой. Для обеспечения устойчивости в схеме защиты (рис. 6.3, б) исполь-
зуется промежуточное реле KL1 с замедлением при возврате, причем
это замедление на 20—50 % больше времени Ат Поэтому после первого
же замыкания контактов реле КА срабатывает промежуточное реле KL1,
которое за время Аг вернуться в исходное состояние не успевает и защи-
та надежно срабатывает.
356
a
б
+EC -EC
Рис. 6.3. Защита синхронного электродвигателя от асинхронного режима
В ряде случаев защита от асинхронных режимов может быть выпол-
нена с применением индукционных реле РТ-80, которые из-за инерции
своего механизма не успевают за время Дг возвратиться после срабаты-
вания в исходное состояние. Ток срабатывания защиты /ср принимают
равным (1,3—1,5) /д ном. Сведения о других схемах защиты от асинх-
ронных режимов содержатся в [24].
Защита синхронных электродвигателей любого исполнения в зави-
симости от особенностей конструкции и условий использования двига-
теля должна действовать с выдержкой времени на одну из схем, предус-
матривающих ресинхронизацию, ресинхронизацию с автоматической
кратковременной разгрузкой механизма до нагрузки, обеспечивающей
втягивание двигателя в синхронизм, отключение электродвигателя и
повторный автоматический пуск, отключение электродвигателя [37, 86].
Для защиты электродвигателей могут использоваться микропроцес-
сорные устройства SPA.
Разработаны микропроцессорные блоки для защиты и автоматики
электродвигателей 6—10 кВ. К ним относятся, например, блоки БМРЗ-ДА,
предназначенные для выполнения функций защиты и автоматики асин-
хронных и синхронных электродвигателей напряжением 6—10 кВ и
мощностью до 5 МВт. Они также могут использоваться для защиты ка-
бельных линий напряжением 3—10 кВ.
Блоки БМРЗ-ДЛ имеют несколько исполнений, отличающихся на-
бором функций защит и организацией функций автоматики. Полный
набор таких функций блока включает:
• максимальную токовую защиту;
• защиту от замыкания на землю;
• защиту от несимметричных режимов;
357
• индивидуальную защиту минимального напряжения и защиту от
обрыва фазы;
• минимальную токовую защиту от потери нагрузки;
• защиту от блокировки ротора и затянутого пуска;
• тепловую модель, запрет пуска перегретого двигателя;
• ограничение количества пусков;
• контроль активной и реактивной мощности;
• запрет пуска перегретого двигателя;
• резервирование отказов выключателя;
• сигнал для логической защиты шин;
• автоматическое повторное включение двигателя;
• регистрацию временной диаграммы пусков (самозапусков);
• автоматическое осциллографирование аварий.
Схема подключения блока показана на рис. 6.4.
Максимальная токовая защита блока имеет три ступени. Первая сту-
пень настраивается как токовая отсечка, отстроенная от апериодических
составляющих в фазных токах. Вторая ступень — максимальная токовая
защита с коррекцией тока уставки по напряжению прямой последова-
тельности и пуском по напряжению обратной последовательности. Тре-
тья ступень — максимальная токовая защита с независимой или зависи-
мой выдержкой времени. Любая из ступеней может функционировать как
направленная с заданным углом максимальной чувствительности.
Защита от однофазных замыканий на землю получает питание от
трансформатора тока нулевой последовательности ТТНП и напряже-
ния нулевой последовательности ТННП. Защита одноступенчатая с не-
зависимой выдержкой времени; она может быть как направленной, так
и ненаправленной.
Защита от несимметричных режимов выполнена с контролем тока
обратной последовательности и предназначена для предотвращения
перегрева ротора двигателя вихревыми токами, которые возникают в
том случае, если в трехфазной питающей сети возникает несимметрия.
Индивидуальная защита минимального напряжения и от обрыва фазы
(ЗМН-ЗОФ) выполнена с контролем напряжения прямой последователь-
ности и предназначена для отключения двигателя при снижении напря-
жения питающей сети, обрыве фазы или неправильном чередовании фаз.
Минимальная токовая защита от потери нагрузки контролирует дей-
ствующие значения фазных токов и отключает двигатель при его пере-
ходе в режим холостого хода, если такой режим является неплановым.
358
•3» РП-10-30
4- Цель
02 +220 В
22 РПО
04 +220 В
24 РПВ
01 Откл
И -220 В
21 Вкл
12 -220 В
03 Блок АП В
13 -220 В
23 Вкл. АПВ
14 -22ОВ
05 Вн. защ. без АПВ1
15 -220 В
10 Вн. защ. без All В1
25 Вн. эащ. безАПВЗ
16 -220 В
06 Вн.защ.сАПВ!
26 -220 В
07 Вн. эащ. сЛПВ2
17 -22ОВ
27 Вн. защ. с АПВЗ
18 -220 В
08 Напр. в норме
28 -220 В
09 Резерв
19 -220 В
29 Резерв
20 Резерв
30 -220 В
РП-Ю-15
Цепь
А1 Резерв
61
Л2 Резерв
Б2
АЗ Резерв
БЗ
А4 Резерв
64
А5 Резерв
Б5
А6 Резерв
Ьб
А7 Резерв
67
Цепь
БМР З-ДА-ОЗ
РП-10-30 «4*
-/=220 В^л]
МСТПрМ1ВИ1
Корпус
}ат <минус>
?ат^цдюсг
G1
Рис. 6.4. Схема внешних подключений блока БМРЗ-ДА-ОЗ
359
Защита от блокировки ротора и затянутого пуска также контроли-
рует действующие значения фазных токов и отключает двигатель, если
ротор начинает вращаться, если тормозной момент на роторе недопус-
тимо велик, если двигатель продолжает работать при чрезмерной на-
грузке и если в рабочем режиме ротор внезапно блокируется.
Тепловая модель двигателя выполнена в виде уравнения теплового
баланса в реальном масштабе времени. Защита производит численное
решение этого уравнения, на основании которого определяется нагрев
обмоток статора.
Защита выполнена двухступенчатой: первая ступень срабатывает при
заданной температуре и приводит в действие сигнализацию, вторая сту-
пень срабатывает при повышении температуры сверх допустимого зна-
чения и производит отключение двигателя. Если отключение двигателя
произошло от действия второй ступени, то его пуск в дальнейшем бло-
кируется до тех пор, пока вычисляемая температура не снизится до за-
данного значения.
Ограничение частоты и количества пусков (ОКП) осуществляется на
основе подсчета количества пусков в течение последнего часа. Подсчи-
тываются холодные и горячие пуски и их общее число. Пуск считается
горячим, если между ним и предыдущим пуском прошло время, мень-
ше заданного. При превышении допустимого количества пусков после-
дующие запуски запрещаются (блокируются) до тех пор, пока между
предыдущим и последующим пусками время не станет больше задан-
ного.
Контроль активной мощности осуществляется путем измерения ее
значения и знака. Двигатель отключается при его переходе в генератор-
ный режим, если такой оказывается возможным из-за особенностей
нагрузки на валу. Контроль реактивной мощности обеспечивает отклю-
чение синхронного двигателя при потере возбуждения или выхода из
синхронизма.
Запрет пуска перегретого двигателя (ЗППД), в том числе и при АПВ,
осуществляется при срабатывании второй ступени тепловой модели или
функции ОКП. Возврат функции ЗППД (разрешение на включение)
происходит после возврата функции, его пустившей.
Резервирование отказов выключателя применяется в комплекте
БМРЗ-ДА-ОЗ, который комплектуется УРОВ-датчиком (УРОВд). Сиг-
нал датчика выдается через заданное время после выдачи сигнала на
отключение выключателя при срабатывании МТЗ или защиты от не-
360
симметричных режимов при сохранении в течение этого времени усло-
вий срабатывания этих защит и при неисполнении выключателем ко-
манды «Отключить».
Логическая защита шин осуществляется при срабатывании любой
ступени МТЗ и заключается в переключении уставок защит ввода и сек-
ционного выключателя.
Автоматическое повторное включение двигателя предусматривается
однократным. Эта функция может запускаться при срабатывании за-
щит секции, при срабатывании защит главного трансформатора, при
включении АВР секции, действии 033 на отключение и при самопро-
извольном отключении выключателя двигателя. АПВ блокируется при
срабатывании первой ступени МТЗ, пуске ЗППД и ЗМН-ЗОФ, а также
по внешним сигналам.
6.4. Защита электродвигателей напряжением до 1 кВ
Трехфазные двигатели напряжением до 1 кВ имеют самое большое
распространение в различных областях промышленности, транспорта,
сельского хозяйства из-за своей простоты и надежности. Их защита осу-
ществляется плавкими предохранителями, автоматическими выключа-
телями, тепловыми реле магнитных пускателей. На рис. 6.5 приведена
одна из схем управления и защиты электродвигателя, содержащая плав-
кие предохранители и тепловые реле.
Рис. 6.5. Схема защиты и управления электродвигателя с тепловыми реле
и магнитным пускателем
361
Электродвигатель подключен к питающей сети через предохраните-
ли F и контакты магнитного пускателя КМ. В две фазы включены теп-
ловые реле КК1 и КК2, осуществляющие защиту от перегрузки. Вклю-
чение двигателя осуществляется нажатием на кнопку SB1. При этом
якорь электромагнита YA втягивается и замыкает главные контакты КМ
магнитного пускателя и его вспомогательный контакт SKM. Последний
шунтирует кнопку SB 1, которую после включения КМ можно отпустить.
Отключение двигателя произойдет после нажатия на кнопку SB2.
Защита от коротких замыканий осуществляется плавкими предох-
ранителями F, номинальное напряжение которых должно соответство-
вать напряжению сети, а предельный ток отключения должен быть боль-
ше максимального тока короткого замыкания. Номинальный ток плав-
кой вставки /вс ном должен отвечать следующим трем условиям:
I >k I Г > пер‘ г < /4 Q\
вс.ном отс рабтах’ вс.ном “ £ ’ вс.ном “ Ю-15’
пер
где /раб тах — максимальный рабочий ток, принимаемый равным номиналь-
ному току электродвигателя /д ном;
/пСр — ток кратковременной перегрузки, принимаемый равным пусковому
току электродвигателя
lk mjn — минимальный ток короткого замыкания;
fc0TC “ коэффициент отстройки (от 1,1 до 1,25);
£пер — коэффициент перегрузки, принимаемый для тяжелых условий пуска
(10 с и более) электродвигателей равным 1,6—2, для легких условий пуска (до
10 с)-2,5.
При коротком замыкании плавкая вставка должна сгорать настолько
быстро (за 0,15—0,2 с), чтобы магнитный пускатель не успел отпасть и
разомкнуть контакты КМ. В противном случае эти контакты будут раз-
рывать ток короткого замыкания, на что они не рассчитаны. Такое быст-
рое перегорание плавкой вставки возможно, если ток короткого замыка-
ния превышает номинальный ток плавкой вставки в 10—15 раз. Чувстви-
тельность плавкого предохранителя определяют по формуле (4.5).
Минимальная защита напряжения осуществляется без дополнитель-
ных устройств в результате того, что при снижении напряжения в сети
от 0,3 до 0,4 от номинального электромагнит YA отпадает и контакты
КМ размыкаются. Если двигатель не должен отключаться при сниже-
нии или исчезновении напряжения, то вместо кнопок SB1 и SB2 уста-
навливается однополюсный рубильник (переключатель) S. Защита дви-
362
гателя от перегрузки осуществляется тепловым реле с биметаллической
пластиной. Срабатывание реле КК1 или КК2 ведет к размыканию их
контактов и отпаданию электромагнита YA. Ток срабатывания теплово-
го реле / w выбирается по условию
ср. ли
= к к I
р 3 д,ном
(6.10)
где кр — коэффициент разброса характеристики срабатывания (1,15—1,2);
к3 — коэффициент запаса (1,1—1,3);
Z„ «пи ~ номинальный ток двигателя,
ном
Тепловые реле устанавливаются в двух фазах, что позволяет осуще-
ствить защиту от работы на двух фазах.
Вместо предохранителей в схемах защиты и управления могут ис-
пользоваться автоматические выключатели. В этом случае защита от
междуфазных коротких замыканий осуществляется электромагнитны-
ми расцепителями мгновенного действия и резервируется расцепителем
с зависимой характеристикой. Расцепителями осуществляется защита от
перегрузки и снижения напряжения питания. Номинальное напряжение
автоматического выключателя С7В ном не должно быть меньше напряже-
ния сети, а его предельный допустимый ток /в пред должен быть больше
максимального тока короткого замыкания Аг,тах защищаемой цепи. Но-
минальный ток расцепителя /расц ном должен быть больше максималь-
ного значения длительного тока нормального режима, включая возмож-
ные перегрузки. Ток срабатывания 1СЗ электромагнитного расцепителя,
осуществляющего токовую отсечку, выбирают по условию:
сз р отс пер’
(6.11)
где Лр — коэффициент разброса характеристики срабатывания (1,15—1,2);
/сотс “ коэффициент отстройки;
Атер наибольшее значение кратковременного тока перегрузки.
Значение коэффициента отстройки /сотс зависит от назначения за-
щищаемой цепи. Для защиты электродвигателей его принимают равным
1,8—2, для выключателей в измерительных цепях напряжения — 2, в ос-
тальных случаях — 1,5. При использовании полупроводниковых расце-
пителей значения к^ принимаются на 30 % меньше.
Расчетная кратность тока срабатывания &сз = /сз//ном, где Атом —
номинальный ток автоматического выключателя. При осуществлении
защиты принимают действительное значение кс~ п, соответствующее
363
ближайшему большему паспортному значению. Действительное значе-
ние тока срабатывания защиты 7СЗ при этом
I =к I .
сз,д сз,д ном
(6.12)
Чувствительность защиты проверяется по значению тока короткого
замыкания при повреждении в самой удаленной точке защищае-
мой цепи. Коэффициент чувствительности к^ = д должен быть
не менее 1,5. В сетях с изолированной нейтралью значение опРе“
деляют для двухфазного короткого замыкания, в сетях с глухозаземлен-
ной нейтралью —- для двухфазного и однофазного КЗ.
Ток уставки теплового расцепителя, осуществляющего защиту от пе-
регрузки, выбирают по выражению (6.11).
В тех случаях, когда защита с плавкими предохранителями и автома-
тическими выключателями не обеспечивает требуемого коэффициента
чувствительности, используют максимальные реле тока. На рис. 6.6 при-
веден пример такой схемы с применением первичных реле косвенного
действия. Реле KAI, КА2, КАЗ осуществляют защиту от коротких замы-
каний, реле КА4 совместно с реле времени КТ — защиту от перегрузки.
Возможно использование вторичных реле косвенного действия, вклю-
чаемых через трансформаторы тока (см. рис. 6.1, в). Выбор параметров
SA р
КАЗ
КА2
КА4
Рис. 6.6. Схема защиты и управления электродвигателя с реле тока
364
срабатывания токовой отсечки осуществляется по формулам (6.1) и (6.2),
причем для защиты с первичными реле тока принимают = 1. Про-
верка чувствительности выполняется так же, как для двигателей напря-
жением выше 1 кВ.
Ток срабатывания /ср реле КА4 (защита от перегрузки) выбирается
по условию:
Л 1
PTC I < / < 1 J
к к Л>ком~ с?~ к К пуск’
ВТ 3 т
(6.13)
где /пуск — пусковой ток электродвигателя.
Коэффициент отстройки kQTC принимают равным 1,1—1,2; коэффи-
циент возврата для электромагнитных реле принимают 0,8, для элек-
тронных— 0,9. Коэффициент запаса к3 принимают равным 1,3—1,4. При
использовании первичных реле коэффициент трансформации /Сг транс-
форматоров тока принимают равным 1.
Левое условие выражения (6.13) обеспечивает несрабатывание реле
в нормальном режиме работы, правое условие обеспечивает срабатыва-
ние реле КА4 при пусках и самозапусках электродвигателя. Чтобы за-
щита от перегрузки не отключала двигатель при пуске, выдержку вре-
мени реле КТ принимают равной от 10 до 15 с.
Универсальной защитой электродвигателя от ненормальных режи-
мов является температурная защита. В этой защите используется дат-
чик температуры, который встраивается в лобовые части обмотки ста-
тора. В качестве таких датчиков могут использоваться терморезисторы
(термисторы или позисторы), термодиоды, термотранзисторы. При до-
стижении заданной температуры датчик температуры вызывает сраба-
тывание определенных элементов схемы управления, которые отклю-
чают контактор. Некоторые сведения о температурной защите содер-
жатся в [24]. Наиболее эффективной такая защита может быть, если
заводы-изготовители электродвигателей будут встраивать датчики тем-
пературы в процессе их производства. Встраивание их при эксплуата-
ции требует вмешательства в конструкцию двигателя, что не всегда воз-
можно, и снижает их надежность.
Глава 7. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ
7.1. Виды повреждений и ненормальных режимов
Трансформаторы защищают от внутренних повреждений, сопровож-
дающихся многофазными или однофазными КЗ, «пожаром стали», и от
ненормальных режимов. «Пожар стали» образуется в результате мест-
ного перегрева магнитопровода вихревыми токами при его поврежде-
ниях. Однофазные замыкания делятся на замыкания обмоток на землю
и на замыкания между витками одной фазы. Для защиты от внутренних
КЗ и повреждений применяют, главным образом, токовую отсечку, га-
зовую и дифференциальную защиты.
К ненормальным режимам относятся внешние короткие замыкания,
перегрузки, понижение уровня масла. При внешних коротких замыка-
ниях через обмотки трансформатора протекают большие токи, которые
могут во много раз превышать номинальный ток трансформатора и по-
этому опасны для него. Внешние КЗ (сверхтоки) сопровождаются
снижением напряжения в сети за трансформатором. Для защиты от та-
ких КЗ применяют, как правило, максимальную токовую защиту, мак-
симальную токовую защиту с блокировкой (пуском) минимального на-
пряжения, токовую защиту нулевой последовательности и защиту об-
ратной последовательности.
Перегрузки трансформатора обусловливаются режимами работы
электроприемников и не сопровождаются обычно существенным сни-
жением напряжения в сети. По условиям нагрева масляные трансфор-
маторы даже при токе в 2 раза выше номинального могут оставаться в
работе до 10 мин. Для защиты от перегрузки используется обычно мак-
симальная токовая защита с выдержкой времени.
Понижение уровня масла может произойти при образовании течи в
баке, сильных снижениях температуры окружающего пространства. При
недостаточном уровне масла ухудшаются условия охлаждения обмоток,
что может стать причиной повреждения трансформатора.
366
Существенное влияние на работу защиты оказывают переходные
процессы в трансформаторах [20]. Они могут вызывать неправильные
действия защиты как в нормальных, так и в аварийных режимах. Ток КЗ
содержит периодическую и апериодическую составляющие. Наиболь-
шего значения апериодическая составляющая достигает, если момент
короткого замыкания совпадает с переходом кривой напряжения через
нуль. Через полупериод амплитуда тока КЗ достигает максимума (удар-
ный ток), который превышает амплитуду установившегося тока КЗ в
1,3—1,8 раза. Апериодическая составляющая в токе КЗ затухает за не-
сколько (3—5) периодов. В трехфазных трансформаторах при КЗ наи-
большая апериодическая составляющая возникает только в одной фазе;
в двух других она значительно меньше или вообще отсутствует.
Включение трансформатора под напряжение или восстановление на
нем напряжения после отключения внешнего КЗ сопровождается брос-
ком тока намагничивания. Ток намагничивания протекает только по
первичной обмотке трансформатора. При включении трансформатора
в момент прохождения напряжения через нуль в магнитопроводе воз-
никают установившийся (периодический) и свободный (апериодичес-
кий) магнитные потоки. Их сумма достигает через полпериода (без уче-
та затухания) двойной амплитуды периодической составляющей, а с
учетом остаточного намагничивания магнитопровода — и еще больших
значений. Магнитопровод при этом насыщается, что и является причи-
ной большого броска тока намагничивания (рис. 7.1).
Амплитуда броска намагничивающего тока может превышать амп-
литуду номинального тока в 6—8 раз, однако, она, как правило, меньше
периодической составляющей тока внешнего КЗ. Намагничивающий
ток может содержать значительную
апериодическую составляющую,
которая затухает значительно мед-
леннее, чем при КЗ (2—3 с). В кри-
вой тока намагничивания имеется
большое содержание высших гар-
моник, особенно второй (от 17 до
43 %). По этим причинам кривая
намагничивающего тока, особенно
в первые периоды, может оказать-
ся смещенной в одну сторону по
отношению к оси времени.
Рис. 7.1. Осциллограмма тока
включения трансформаторов
367
В трехфазных трансформаторах наибольший бросок тока намагни-
чивания возникает только в одной фазе, в двух других фазах его амплиту-
да меньше, а апериодическая составляющая может отсутствовать. При
броске намагничивающего тока с большой апериодической составляю-
щей в двух фазах первичной обмотки трансформатора в третьей фазе так-
же может возникнуть бросок периодического тока. Амплитуды последнего
достигают примерно 1/3 амплитуды апериодического намагничивающе-
го тока и могут превысить номинальный ток более чем в два раза.
Для трансформаторов и автотрансформаторов предусматриваются за-
щиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов [38,43]:
• многофазных замыканий в обмотках и на выводах;
• однофазных замыканий на землю в обмотках и на выводах при глухо
заземленной нейтрали;
• витковых замыканий в обмотках;
• сверхтоков внешних КЗ и перегрузки;
• понижения уровня масла.
Для трансформаторов в сетях с изолированной нейтралью, трансформа-
торов и автотрансформаторов 220 кВ и выше, в том числе и для сверхвысо-
ких напряжений, предусматриваются защиты и от других режимов [38, 43].
7.2. Защиты, реагирующие на значение тока
Защита плавкими предохранителями применяется для трансформато-
ров сравнительно небольшой мощности: до 630 кВ А при напряжениях
не свыше 10 кВ и до 2500 кВА при напряжении 35 кВ. Плавкие предох-
ранители устанавливают со стороны первичной обмотки совместно с
выключателями нагрузки или разъединителями. Плавкая вставка вы-
бирается по условию /всном = (1,5-2) /тном, где /вс>ном “ номиналь-
ный ток плавкой вставки, 7ТНОМ — номинальный ток трансформатора.
Характеристики плавких предохранителей трудно согласовать с харак-
теристиками защит за трансформаторами, а также трудно обеспечить
необходимые условия чувствительности ко всем видам повреждений [24].
Поэтому защиту более мощных трансформаторов, а также трансформа-
торов меньшей мощности особо ответственных потребителей, для ко-
торых предусматривается автоматическое включение резерва, осуществ-
ляют с помощью реле.
Токовая отсечка используется для защиты от КЗ внутри трансформа-
тора и на его выводах. Ее устанавливают со стороны первичной обмот-
368
ки трансформатора, отключают его со всех сторон, откуда может про-
исходить подпитка места повреждения. В сети с глухо заземленной ней-
тралью токовая отсечка устанавливается в трех фазах, в сетях с изолиро-
ванной нейтралью — в двух. Выдержки времени в защите нет. Схемы
включения реле и трансформаторов тока приведены на рис. 2.11. При
выборе схем принимают во внимание режим нейтрали трансформатора
и возможные виды КЗ. Свойства схем описаны в п. 2.4. Для трансфор-
маторов со схемой обмоток А /Л схему соединения трансформаторов
тока и реле, показанную на рис. 2.11, г, не применяют.
Ток срабатывания защиты выбирается больше, чем максимальное
значение тока трехфазного КЗ при повреждении за трансформатором
тах и бросок тока намагничивания, которым сопровождается вклю-
чение трансформатора:
сз отс к max
I >к I
сз з.нам т.ном
(7.1)
где &отс — коэффициент отстройки, (1,2—2);
^з нам ““ коэффициент отстройки от броска тока намагничивания;
4 ном ““ номинальный ток трансформатора. Для защит со временем дей-
ствия от 0,03 до 0,06 с принимают к3 нам равным 3—5, для более быстродей-
ствующих защит — 6—8.
Чувствительность защиты проверяется по формуле (4.9) по току двух-
фазного КЗ на вводах первичной обмотки. Коэффициент чувствитель-
ности должен быть не менее 2.
Токовая отсечка реагирует лишь на значительные токи, не защищает
трансформатор от междуфазных КЗ на последних витках, а также при
витковых замыканиях и замыканиях на землю в сети с изолированной
нейтралью. Однако вследствие своей простоты и быстродействия она
нашла широкое распространение и совместно с газовой защитой явля-
ется основной защитой от внутренних повреждений одиночных транс-
форматоров мощностью до 6300 кВ-А, а для параллельно работающих
трансформаторов — общей мощностью до 10 000 кВ-А.
Максимальная токовая защита используется для защиты от внутрен-
них многофазных КЗ, внешних сверхтоков и перегрузки.
Защита от внутренних КЗ резервирует токовую отсечку и перекрыва-
ет ее мертвую зону на последних витках трансформатора. В сетях с глу-
хо заземленной нейтралью защита устанавливается в трех фазах (см. рис.
2.11, а), а в сети с изолированной нейтралью — в двух (см. рис. 2.11,6).
369
Уставку защиты выбирают по формуле (4.7) так, чтобы она не дей-
ствовала ложно в нормальном режиме работы при максимальном токе
нагрузки. Этот ток для одиночно работающего трансформатора нахо-
дят по режиму подключения нагрузки при действии АПВ после внезап-
ного отключения. Поскольку значительную долю нагрузки составляют,
как правило, асинхронные двигатели, то именно они определяют в ос-
новном характер изменения тока нагрузки при АПВ. При отключении
трансформатора напряжение на нагрузке исчезает, частота вращения
двигателей падает и они останавливаются. Те из них, которые были под-
ключены в сеть через магнитные пускатели, автоматически отключают-
ся. После внезапной подачи напряжения все двигатели, не отключив-
шиеся автоматически, одновременно оказываются в режиме самозапус-
ка. Нагрузка трансформатора при этом резко увеличивается, так как
пусковые токи асинхронных двигателей в несколько раз выше номи-
нальных. Максимальный ток нагрузки одиночно работающего транс-
форматора определяют по условию: = ^сзп/рабтах, где /ра6тах -
установившееся значение наибольшего тока нагрузки в нормальном
режиме работы; /ссзп — коэффициент самозапуска, учитывающий уве-
личение тока нагрузки в режиме самозапуска двигателей.
При параллельной работе двух трансформаторов на общие шины
максимальный ток нагрузки определяют, исходя из внезапного отклю-
чения одного из них. В этом случае для оставшегося в работе трансфор-
матора имеем /щнад = 2/тном. Если же два трансформатора работают
каждый на свою секцию шин (секционный выключатель нормально
отключен), то максимальный ток нагрузки, например первого транс-
форматора, вычисляют для режима, при котором второй трансформа-
тор отключается, после чего нагрузка последнего с помощью АВР под-
ключается секционным выключателем к оставшемуся в работе первому
трансформатору: I -к'1. - + к Ц - , где/i б -мак-
симальный рабочий ток нагрузки первого трансформатора в нормаль-
ном режиме работы; ^рабтах максимальный ток нагрузки второго
трансформатора в том же режиме; к' — коэффициент, учитывающий
увеличение тока нагрузки на неповрежденной секции из-за понижения
напряжения в момент подключения к ней затормозившихся электро-
двигателей. Если нагрузка неповрежденной секции состоит преимуще-
ственно из электродвигателей, то к' принимают равным 1,5—1,6.
370
Ток срабатывания защиты находят по условию (4.7). В тех случаях
когда данные о характере нагрузки отсутствуют, ток срабатывания вы-
бирают по условию: 7СЗ = 4/тном.
Чувствительность защиты определяется по формуле (4.9) и табл. 2.3
(см. п. 2.4) для двухфазного КЗ за трансформатором. При КЗ на шинах
среднего и низшего напряжений требуется кч > 1,5, а при КЗ в зоне, где
данная защита является резервной, > 1,2.
Защита с одним реле (см. рис. 2.11, г) для трансформаторов со схе-
мой соединения обмоток А /А не применяется из-за ее отказа при КЗ
между фазами А и В (ток в реле равен нулю).
На трехобмоточном трансформаторе с двусторонним питанием макси-
мальную токовую защиту устанавливают со стороны всех трех обмоток.
Выдержка времени защиты со стороны первичной обмотки берется
на ступень выше, чем у защиты со стороны вторичных обмоток. Макси-
мальные токовые защиты трехобмоточных трансформаторов с много-
сторонним питанием по условиям селективности должны быть направ-
ленными.
При выборе уставки максимальной токовой защиты по формуле (4.7)
эта защита реагирует не только на внутренние многофазные КЗ, но и
выполняет роль защиты от внешних КЗ (сверхтоков).
Для повышения чувствительности к токам КЗ защиту можно отстро-
ить от максимальных рабочих токов, используя то обстоятельство, что
при внешних КЗ напряжение за трансформатором снижается значитель-
но, а при перегрузках это снижение, как правило, невелико. С этой це-
лью применяют максимальную токовую защиту с комбинированным пус-
ком по напряжению (рис. 7.2).
В защите используются датчики (реле) тока / и напряжения U, логи-
ческие ячейки ИЛИ и И, реле времени КТ, промежуточное реле KL,
которое коммутирует катушку электромагнита отключения YAT при-
вода выключателя. Датчики тока — максимальные, т.е. сигнал на их
выходе появляется тогда, когда ток превысит уставку. Датчики напря-
жения — минимальные: сигнал на их выходе появится тогда, когда на-
пряжение в сети станет ниже уставки. Защита коммутирует YAT толь-
ко при одновременном срабатывании любой пары из датчиков / и U.
Реле тока присоединяют к трансформаторам тока со стороны первич-
ной обмотки защищаемого трансформатора, реле напряжения — к
трансформатору напряжения, установленному со стороны вторичной
обмотки трансформатора.
371
Рис. 7.2. Структурная схема максимальной токовой защиты трансформаторов
с комбинированным пуском по напряжению
Уставки реле тока и напряжения выбираются по условиям:
к к
СХ 3 j < I < СХ * 01111 ’
К к т.ном - ср - К к ’
ТВ т ч
1 к и,
1 гг -у ч к max
к к К„ Hmin СР ~ К.,
з в U U
(7.2)
где /т ном — номинальный ток трансформатора;
г(т) ч ж ъгг»
— минимальный ток /и-фазного КЗ в конце зоны защиты;
гС II1111
^сх ’ коэффициенты схемы соответственно для симметричного и т-
фазного КЗ (см. табл. 2.3);
минимальное напряжение в нормальном режиме;
^ктах наибольшее остаточное напряжение в месте установки трансфор-
матора напряжения при двухфазном КЗ в конце защищаемой зоны, К^, Ку —
коэффициенты трансформации соответственно трансформаторов тока и напря-
жения.
Для реле тока k3 < 1, для реле напряжения къ > 1. В формуле (7.2)
принимают т — 2 (двухфазное КЗ).
372
Выбранное напряжение срабатывания {7ср реле напряжения прове-
ряется на отстроенность от напряжения /7СЗП на шинах низшего напря-
жения (к которым подключены асинхронные электродвигатели) в ре-
жиме самозапуска электродвигателей:
ср
U
езп
(7.3)
в которой принимают UC3n = (0,6—0,7) i7H0M, к3 == 1,2.
Схема другой разновидности максимальной токовой защиты с ком-
бинированным пуском по напряжению приведена на рис. 7.3. В этой
схеме используется фильтр напряжении обратной последовательности
ZV2; она обеспечивает более высокую чувствительность, чем схема, при-
веденная на рис. 7.2.
При всех видах двухфазных КЗ имеется напряжение обратной после-
довательности, поэтому при таких КЗ на выходе фильтра ZV2 появляется
напряжение и реле KV2 срабатывает, размыкая свой контакт. Это приво-
дит к обесточиванию реле KV1 и его контакт KV1 в цепи управления за-
мыкается. При этом срабатывает промежуточное реле KL, которое своим
контактом KL1 подготавливает цепь реле времени КТ. Если при этом реле
тока КА1 или КА2 сработали, то сработает и реле времени КТ, посылая
своим контактом команду в цепь отключения выключателей Q1 и Q2.
Рис. 7.3. Упрощенная схема максимальной токовой защиты трансформатора с
комбинированным пуском по напряжению и фильтром напряжений обратной
последовательности
373
При трехфазных КЗ напряжение обратной последовательности от-
сутствует и реле KV2 не срабатывает (его контакты остаются замкнуты).
Однако при таком виде КЗ снижается напряжение на шинах и транс-
форматоре напряжения TV, поэтому минимальное реле напряжения KV1
сработает (замкнет свой контакт KV1), что вызовет действие защиты,
если сработали реле тока КА1 или КА2.
Выбор уставки реле тока и реле напряжения KV1 осуществляется по
формулам (7.2).
Для защиты от внутренних КЗ и внешних сверхтоков применяется
также максимальная токовая защита обратной последовательности с при-
ставкой для действия при трехфазных КЗ (рис. 7.4). Защита содержит
реле тока КА1 и фильтр токов обратной последовательности с реле КА2,
а также минимальное реле напряжения KV. Реле КА2 срабатывает при
несимметричных КЗ, поскольку они сопровождаются появлением то-
ков обратной последовательности. Реле КА1 срабатывает при симмет-
ричных КЗ. Защита приходит в действие при срабатывании КА1, если
одновременно происходит снижение напряжения и реле напряжения
KV замкнет свой контакт, а также при срабатывании реле КА2. Ток сра-
батывания реле КА1 и KV выбирают по условиям (7.2) и (7.3).
Максимальная токовая защита от внутренних КЗ и внешних сверх-
токов любого исполнения для понижающих двухобмоточных трансфор-
маторов с односторонним питанием устанавливается со стороны источ-
ника питания. Она действует на отключение всех выключателей. На трехоб-
Рис. 7.4. Схема защиты обратной последовательности
374
моточном трансформаторе с односторонним питанием устанавливают-
ся два комплекта защиты: один со стороны обмоток низшего напряже-
ния с действием на выключатель этой обмотки и другой со стороны об-
мотки высшего напряжения. Последний имеет две выдержки времени:
меньшая действует на отключение обмотки среднего напряжения, боль-
шая — на отключение всех выключателей трансформатора.
Защита от перегрузки выполняется с помощью одного дополнительно-
го реле тока, включенного во вторичную обмотку одного из трансформа-
торов ТА максимальной токовой защиты от свсрхтоков. Поскольку пере-
грузка, как правило, является симметричным режимом трансформатора,
то защиту от нее достаточно устанавливать только в одной фазе. Ток сраба-
тывания находится по выражению (4.7) при k3 = 1,05. Для обеспечения тре-
буемой задержки срабатывания устанавливается реле времени, выдержка
времени которого выбирается по крайней мере на ступень больше, чем вре-
мя срабатывания защиты от сверхтоков. Если эта выдержка времени пре-
вышает время полного разгона асинхронных двигателей, то в выражении
(4.7) величина 4^^ не должна учитывать ток самозапуска.
На трехобмоточном трансформаторе с равной мощностью обмоток
и односторонним питанием защиту от перегрузки устанавливают на
питающей обмотке. При неравной мощности обмоток, а также при мно-
гостороннем питании эту защиту устанавливают на всех трех обмотках.
На обслуживаемых подстанциях защита действует на сигнал, по кото-
рому обслуживающий персонал принимает меры по разгрузке. На под-
станциях без дежурного персонала, при отсутствии вызывной сигнали-
зации или диспетчерского телеконтроля, допускается действие этой за-
щиты на автоматическую разгрузку или отключение.
Защита от коротких замыканий на землю. В установках напряжением
до 1 кВ используются четырехпроводные схемы питания (три фазы и
нулевой провод), подключаемые ко вторичным обмоткам трансформа-
тора с соединением обмоток звезда-звезда с заземленной нейтралью
(А/А©)- Однофазные замыкания на землю при этом являются однофаз-
ными короткими замыканиями. Однако ток этого КЗ, как правило, не-
достаточен для срабатывания ни токовой отсечки, ни токовой защиты
от сверхтоков. В этих случаях применяют токовую защиту нулевой пос-
ледовательности, выполненную с помощью реле тока, включенного че-
рез трансформатор тока в провод, соединяющий нулевую точку транс-
форматора с нулевым проводом четырехпроводной системы. Расчет за-
щиты приведен в [84].
375
73. Газовая защита
Газовая защита реагирует на выделение из трансформаторного мас-
ла газа в результате разложения масла и изолирующих материалов при
возникновении в трансформаторе электрической дуги. Трансформатор
соединяется с маслорасширительным бачком трубопроводом. При воз-
никновении внутри трансформатора электрической дуги вокруг нее на-
чинается бурное газовыделение, давление в баке повышается и поток
масла вместе с газовыми пузырями устремляется через трубопровод в
маслорасширитель. На этот поток масла и газов реагирует газовое реле,
которое врезано в трубопровод, соединяющий бак трансформатора с
маслорасширителем.
На схематическом изображении конструкции газового реле РГЧЗ-
66 (рис. 7.5) стрелкой указано направление потока масла и газа при внут-
реннем повреждении трансформатора. Реле состоит из резервуара 7,
внутри которого на шарнирах 7 укреплены плоскодонные алюминие-
вые чашки 2 и 3. В нормальном режиме резервуар полностью заполнен
маслом и чашки удерживаются пружинами 4ъ горизонтальном положе-
нии. При понижении в резервуаре 7 уровня масла из-за вытеснения его
газами или течи в баке трансформатора опускается (под воздействием
массы масла, оставшегося в чашках) сначала верхняя чашка, а затем и
нижняя. Подвижные контакты 6 замыкаются с неподвижными 5. При
бурном газообразовании поток масла и газов ударяет в лопасть 8, чашка
3 поворачивается и контакты 5 и 6 замыкаются. В зависимости от ско-
рости масла и газов время срабатывания реле составляет 0,05—0,5 с.
Рис. 7.5. Устройство газового реле
376
Упрощенная принципиальная схема газовой защиты приведена на
рис. 7.6. В качестве источников оперативного питания, кроме аккуму-
ляторных батарей, могут служить предварительно заряженные конден-
саторы, блоки питания, трансформаторы собственных нужд.
При скоплении газов в верхней части газового реле или течи в баке
замыкается контакт KSG.2 газового реле, действующего на предупре-
дительную сигнализацию. При бурном газообразовании замыкается
контакт KSG.1 газового реле, вызывая срабатывание промежуточного
реле KL1, действующего на отключение выключателей Q1 и Q2 со всех
сторон трансформатора Т. Поскольку при бурном газообразовании кон-
такт KSG.2 может вибрировать, то для надежности срабатывания про-
межуточного реле KL1 предусмотрена цепь его самоподхвата контакта-
ми KL1.1. Цепь самоподхвата деблокируется вспомогательными кон-
тактами SQ1.1 выключателя Q1 после отключения трансформатора.
Переключая накладку SX из положения 1 в положение 2, можно пе-
ревести действие защиты не на отключение, а на сигнал. Это может по-
требоваться для проверки газовой защиты и при ее неисправности, а
также при заполнении элементов системы охлаждения маслом на рабо-
тающем трансформаторе и в ряде других случаев, оговоренных в инст-
рукции по эксплуатации газовой защиты.
+ЕС -ЕС
KL1.3 SQ2 YAT2
Рис. 7.6. Принципиальная схема газовой защиты трансформаторов
377
Кроме реле РГЧЗ-66 широкое распространение получили газовые
реле Бухгольца производства Германии типа BF-80/Q [84]. У них по-
плавки выполнены полыми из пластмассы. На поплавках укреплены
постоянные магниты, которые управляют замыканием и размыканием
герконов. В середине 90-х гг. XX века организован промышленный вы-
пуск отечественных газовых реле РГТ50, РГТ80 со сплошными поплав-
ками и встроенными в них магнитами. В реле применяются герконы
повышенной электрической прочности, изолированные от масла.
Газовая защита весьма чувствительна практически ко всем видам
внутренних повреждений, кроме, пожалуй, начальной стадии витковых
замыканий, не сопровождающихся образованием дуги. Она является
обязательной для трансформаторов мощностью 6,3 МВ А и более, а так-
же для внутрицеховых понижающих трансформаторов мощностью 630
кВ А и более. Газовую защиту можно устанавливать и на трансформато-
рах мощностью 1—4 MBA. Если трансформатор снабжен устройством
регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), то для этого устрой-
ства дополнительно предусматривается отдельная газовая защита.
Газовая защита не реагирует на повреждения вне бака трансформа-
тора (в цепи от выключателя до бака, включая вводы). Поэтому она дол-
жна быть дополнена другими защитами.
7.4. Дифференциальная защита
Принцип действия и особенности. Дифференциальная защита реаги-
рует на повреждения внутри трансформатора, на его выводах и в соеди-
нениях с выключателями. Защита является быстродействующей. Она
применяется на параллельно работающих трансформаторах мощностью
4 MBA и выше и на одиночных трансформаторах мощностью 6,3 MBA
и выше. По обе стороны защищаемого трансформатора (рис. 7.7) уста-
навливаются трансформаторы тока, их вторичные обмотки соединяют-
ся дополнительными проводами согласно-последовательно (с циркули-
рующими токами). Трансформаторы тока выбирают так, чтобы их вто-
ричные токи /21 и /22 в нормальном режиме работы трансформатора были
примерно одинаковы. Тогда ток в реле /нб — £21^^22 невелик и не вызы-
вает срабатывания реле КА. При КЗ в любой точке, находящейся между
трансформаторами тока, в том числе и внутри трансформатора, ток /12
исчезает или (при двустороннем питании) меняет направление: он течет
от шин к точке повреждения. Исчезает или меняет направление и ток /22.
378
Рис. 7.7. Схема дифференциаль-
ной защиты трансформатора
Поэтому ток в реле 1нб — /2j +122 Увели-
чивается, реле КА срабатывает и с обеих
сторон отключает трансформатор.
Для правильной работы дифферен-
циальной защиты необходимо, чтобы
ток небаланса в реле /нб = Z21 ~Z22 в Н0Р“
мальном режиме и при внешних корот-
ких замыканиях, на которые защита реа-
гировать нс должна, был бы возможно
меньше. На этот ток влияют коэффици-
енты трансформации трансформаторов
тока, схема соединений обмоток транс-
форматора, броски тока намагничивания
и изменение коэффициента трансформа-
ции защищаемого трансформатора.
Влияние коэффициентов трансформа-
ции трансформаторов тока. Номиналь-
ный ток первичной обмотки трансформатора тока выбирают по токам
А1ном и -12ном5 соответствующим номинальному режиму работы транс-
форматора: L, =5 /ТЗ£Л , Zin , где
Ином т.ном' 1ном 9 12ном т.ном' 2ном 3
5Т„ом ” номинальная мощность трансформатора, 171ном и (72ном — со-
ответственно номинальные линейные напряжения первичной и вторич-
ной обмоток трансформатора. Номинальные первичные токи трансфор-
маторов тока выбираются так, чтобы их вторичные токи в цепи цирку-
ляции получились примерно одинаковыми. Следует учесть при этом
схему соединения трансформаторов тока. Если они соединены в звезду,
то в симметричном режиме в цепи циркуляции ток равен току вторич-
ной обмотки. Если же трансформаторы тока соединены в треугольник,
то в цепи циркуляции (в реле) ток в V3 раз больше тока вторичной
обмотки. Так, например, для схемы, приведенной на рис. 7.8, а, име-
ем: Z21= Л1/^тЬ ^22= а для схемы, приведенной на рис. 7.8, б, —
^22= где *г13 ^т2 ““ коэффициенты трансфор-
мации трансформаторов тока соответственно на выводах первичной и
вторичной обмоток защищаемого трансформатора.
Шкала номинальных токов трансформаторов тока является дискрет-
ной, поэтому подобрать трансформаторы тока так, чтобы Z21= Z22 прак-
379
Рис. 7.8. Схема соединения трансформаторов тока в дифференциальной
токовой отсечке трансформаторов
тически не удается. Снижение тока небаланса за счет неравенства токов
/21 и /22 может осуществляться автотрансформаторами [16] или уравни-
тельными обмотками реле, предназначенными специально для диффе-
ренциальной защиты (РНТ-560, ДЗТ, РСТ, ЯРЭ-2201).
Влияние схемы соединения обмоток трансформатора. При схеме со-
единения обмоток силового трансформатора Y/Y-12 токи 7ц и/12, а сле-
довательно, /21 и /22 отличаются только по значению. Включение
трансформаторов тока и реле показано на рис. 7.8, а. При схеме обмо-
ток Y/A-11 токи /и и 712, кроме того, сдвинуты еще и по фазе на угол
30°. Если обе группы трансформаторов тока (со стороны первичной и
вторичной обмоток защищаемого трансформатора) имеют одинаковое
соединение, то даже при равенстве абсолютных значений токов /21 и /22
в цепи реле будет значительный ток небаланса, обусловленный фазо-
вым сдвигом этих токов. Составляющую тока небаланса в реле из-за
фазового сдвига можно исключить, если со стороны обмоток трансфор-
матора, соединенных в звезду, трансформаторы тока включить треуголь-
ником, а со стороны обмоток, соединенных в треугольник, трансфор-
маторы тока включить звездой (рис. 7.8, б).
Влияние АРПН. Трансформаторы тока в дифференциальной защите
выбирают для данного значения коэффициента трансформации защи-
щаемого трансформатора. Если трансформатор снабжен устройством
автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (АРПН), то
в процессе работы его коэффициент трансформации изменяется. Это
вызывает увеличение токов небаланса и при внешних коротких замы-
380
каниях, когда токи /21и ^22 Резко возрастают, может привести к ложно-
му срабатыванию защиты. Предотвращение ложных действий защиты
в таком режиме может осуществляться с помощью загрубления тока ус-
тавки (увеличения тока срабатывания реле). Однако это вызывает сни-
жение чувствительности дифференциальной защиты к витковым замы-
каниям. Поэтому отстройка от внешних КЗ при наличии АРПН осуще-
ствляется иначе: торможением защиты токами внешних КЗ либо с
помощью контроля направления токов в плечах защиты.
Влияние бросков тока намагничивания. Ток намагничивания трансфор-
матора в нормальном режиме весьма мал, поэтому обусловленная им
составляющая тока небаланса в реле дифференциальной защиты может
нс учитываться. Однако при включении трансформатора или восста-
новлении на нем напряжения бросок тока намагничивания, как отме-
чалось ранее, может в 6—8 раз превысить амплитуду номинального тока.
Поскольку ток намагничивания протекает лишь по первичной обмот-
ке, это может вызвать ложное действие защиты.
Параметры срабатывания дифференциальной защиты должны удов-
летворять следующим двум условиям:
СЗ 31 Ином
(7.4)
I Zk-I , (7.5)
сз з2 нбтах 4 '
где /нб тах — наибольшее значение тока небаланса в реле дифференциальной
защиты, приведенное к первичной стороне защищаемого трансформатора;
&з1, ^з2 — коэффициенты запаса.
Первое условие обеспечивает отстройку защиты от бросков тока на-
магничивания трансформатора при его включении или восстановлении
напряжения после отключения внешнего КЗ. Для различных типов диф-
ференциальных защит, применяемых в настоящее время, £з1 принима-
ют равным 0,3—6,5. Для защит, в которых не принято специальных мер
по снижению чувствительности к броскам тока намагничивания (диф-
ференциальная отсечка), принимают к3^ равным 3,5—6,5. Для реле РНТ-
560 величину этого коэффициента принимают 1,3, для реле ДЗТ — 1,5,
для реле РСТ и устройства ЯРЭ-2201 —0,3—0,7.
Второе условие обеспечивает предотвращение ложного действия за-
щиты при внешних КЗ, когда ток небаланса имеет наибольшее значе-
ние. Для защит с реле РТ-40, РСТ, устройства ЯРЭ-2201 принимают кз2
равным 1,2—1,3, реле РНТ — 1,3, реле ДЗТ — 1,5.
381
Разработаны модернизированные реле РНТМ-560, а также специ-
альные приставки к реле РНТ-560 и ДЗТ, для которых принимают Лз1
равным 0,3—0,5 [20]. Это обеспечивается применением специального
детектора искажения формы тока, который распознает бросок тока на-
магничивания по отличию его формы от синусоиды и тормозит при этом
действие защиты.
При вычислении тока небаланса учитывают три составляющие. Пер-
вая из них обусловлена различием характеристик намагничивания, а
следовательно, и полных погрешностей трансформаторов тока, установ-
ленных со стороны высшего и низшего напряжений. Вторая связана с
изменением коэффициента трансформации трансформатора при регули-
ровании напряжения, поскольку при этом изменяется соотношение между
токами /21 и ^22* Эта составляющая пропорциональна диапазону регули-
рования напряжения. Третья составляющая учитывает неполное вырав-
нивание токов, сравниваемых в реле (токов в плечах циркуляции). По-
лагая, что в худшем случае эти составляющие складываются арифмети-
чески, наибольшее значение тока небаланса вычисляют по формуле:
I , =(к е + Д(/ + Д/)/(3) , (7 6)
нотах 4 ап per •'в' к.внтах
где /(3) —наибольший ток внешнего трехфазного КЗ;
к.внтах
&ап — коэффициент, учитывающий влияние апериодической составляющей
тока КЗ (для защит с насыщающимися трансформаторами тока =1, для ос-
тальных £ап =2);
8 — допустимая относительная полная погрешность трансформаторов тока,
равная 0,1;
ДС/рег — относительная погрешность, обусловленная регулированием на-
пряжения (принимается равной половине суммарного диапазона регулирова-
ния РПН);
Д/в относительная погрешность от неточного выравнивания токов в пле-
чах циркуляции защиты: Д/^ = (^21“ ^22) / ^2Г
Поскольку /21 = /ц^/Xrp 122 = /12^сх2/^2> п = WAl- где п ~
коэффициент трансформации силового трансформатора, то:
Д/ =1-л
в к .К -
сх! т2
(7.7)
При соединении трансформаторов тока звездой £сх1 = 1, при соеди-
нении их треугольником &сх1 = >/3 •
382
Если А/в превышает 0,05 (5 %), то необходимо осуществить прину-
дительное выравнивание токов в плечах циркуляции с помощью авто-
трансформаторов или выравнивание магнитодвижущей силы МДС в
реле, специально применяемых для дифференциальной защиты. В наи-
худших условиях в формуле (7.6) кгп=2, е = 0,1 (10 %), At/per =±0,16
(16 %), А/в =0,05 (5 %). В этом случае для дифференциальной отсечки:
сз з2 ? к.внтах
(7-7)
При использовании реле и устройств, имеющих отстройку от апери-
одической составляющей, к^ =1. Для дифференциальных защит с та-
кими элементами:
I >к№.1(3)
сз з2 к.внтах
(7.7")
В качестве расчетного принимают наибольшее значение из вычис-
ленных по формулам (7.4) и (7.5).
Чувствительность дифференциальной защиты оценивается коэффи-
циентом чувствительности, определяемым формулой (4.9). Если вырав-
нивание токов в плечах циркуляции производится при помощи авто-
трансформаторов, то правую часть выражения (4.9) надо умножить на
коэффициент трансформации автотрансформатора. Необходимо, что-
бы выполнялось условие > 2. Как следует из выражения (4.9), чув-
ствительность защиты тем больше, чем меньше ток ее срабатывания. В
некоторых случаях допускается кч > 1,5 [38]. Если чувствительность ока-
зывается недостаточной, то применяют специальные реле с торможени-
ем, которые снижают влияние составляющей At7per в токе небаланса
/нб тах. Снижение в этом токе составляющей А/в достигается примене-
нием автотрансформаторов или специальных- реле с уравнительными
обмотками. Для снижения значений &ап, а также коэффициентов и
&32 необходимо уменьшать влияние бросков тока намагничивания.
Для отстройки дифференциальной защиты от бросков тока намаг-
ничивания разработано несколько способов. Простейший из них —
увеличить уставку реле так, чтобы оно не реагировало на эти броски.
Недостатком этого способа является большой ток срабатывания, пре-
вышающий в несколько раз номинальный ток трансформатора. В то же
время, с учетом витковых замыканий внутри обмоток, желательно иметь
ток срабатывания дифференциальной защиты, равный от 0,2 до 0,3 но-
минального тока трансформатора (£3i принимают равным от 0,2 до 0,3).
383
Широкое распространение получил способ торможения защиты от
апериодической составляющей тока намагничивания. Защите при этом
не разрешается срабатывать, если в кривой тока имеется значительная
апериодическая составляющая. Способ имеет несколько разновидностей,
из которых наибольшее применение имеет торможение с помощью про-
межуточных быстронасыщающихся трансформаторов, рассматриваемых
ниже. В другой разновидности этого способа о наличии апериодической
составляющей судят по разности амплитуд или различия в длительности
положительной и отрицательной полуволн тока в реле дифференциаль-
ной защиты. Как видно из рис. 7.1, продолжительность отрицательных
полуволн тока при наличии большой апериодической составляющей пре-
вышает половину периода. Защита при этом тормозится.
В последнее время для трансформаторов тяговых подстанций разра-
ботан новый тип дифференциальной защиты. Отстройка от бросков
тока намагничивания достигается с помощью контроля амплитуды по-
ложительных и отрицательных полуволн тока одновременно в двух
фазах и логической схемы совпадения. Для срабатывания органов од-
ной фазы необходимо, чтобы на данной и смежной фазах амплитуды
положительных и отрицательных полуволн тока намагничивания ста-
ли больше уставки. Ток срабатывания дифференциальной защиты мо-
жет быть равным 0,3 номинального тока трансформатора. Защита рас-
смотрена ниже в гл. 11 (см. учебник, часть II).
Снижение влияния на работу защиты токов небаланса при внешних
КЗ осуществляют с помощью специальных реле, имеющих торможение.
Дифференциальная токовая отсечка — наиболее простой вид диффе-
ренциальной защиты. Она выполняется при помощи реле тока по схе-
мам, приведенным на рис. 7.8. Реле тока воздействуют на промежуточ-
ные реле с временем действия 0,03—0,06 с для того, чтобы защита не
реагировала на первые (наиболее значительные) пики намагничиваю-
щего тока.
В условии (7.4) принимают £з1 равным 3—4,5. Так как ток срабаты-
вания защиты велик, то она не реагирует на витковые замыкания.
Дифференциальная защита с промежуточными быстронасыщающими-
ся трансформаторами тока более чувствительна, чем дифференциальная
токовая отсечка. В ней используется реле типа РНТ-565, схема включе-
ния которого в однофазном изображении приведена на рис. 7.9. Реле
состоит из быстронасыщающегося трансформатора с трехстержневым
магнитопроводом 1 и исполнительного органа 2 (реле РТ-40).
384
На магнитопроводе имеются
следующие обмотки: уравнитель-
ные wyl и wy2, дифференциальная
ууд, рабочая wp и две обмотки и>к ко-
роткозамкнутого контура. Уравни-
тельные и дифференциальная об-
мотки секционированы и имеют от-
воды для регулировки числа витков.
С их помощью добиваются для но-
минального режима условия
^21 wyl722wy2+(^21-’ ^22) ^д “°-
При этом результирующий (рабо-
чий) магнитный поток в магнито -
проводе 1 отсутствует (МДС F = 0)
и в катушке реле 2 тока нет. Таким
образом осуществляется отстройка
Рис. 7.9. Схема дифференциальной
защиты с реле типа РНТ-565
защиты от токов небаланса из-за неодинаковых значений /21 и 42*
Магнитопровод 1 выполняется из стали с широкой и близкой к пря-
моугольной формой петли гистерезиса. При этом ток намагничивания
защищаемого трансформатора со значительной апериодической состав-
ляющей в обмотку практически не трансформируется и реле 2 при
включении трансформатора ложно не срабатывает. Таким образом, на-
личие в кривой тока апериодической составляющей как бы тормозит
действие реле. Эффективность торможения можно регулировать резис-
тором в цепи обмоток wK.
При коротком замыкании в зоне защиты ток /22 равен нулю (при
одностороннем питании) или изменяет свой знак (при двустороннем
питании). В последнем случае МДС F= ^22ну2+(^21“~ ^22^ *
Созданный ею рабочий магнитный поток наводит в обмотке и>р ЭДС и
реле 2 срабатывает. Расчет токов срабатывания производят по выраже-
ниям (7.4) и (7.5), причем А:з1= £з2=1,3.
Пример включения реле РНТ-565 для трехобмоточного трансфор-
матора приведен на рис. 7.10.
Расчет числа витков уравнительных и дифференциальной обмоток осу-
ществляется в следующем порядке. По формуле (7.6) вычисляют
полагая к^ = 1 и Л/^ = 0. По формулам (7.4) и (7.5) находят ток срабатыва-
ния защиты и в качестве расчетного /сз принимают наибольшее из двух
вычисленных значений. Осуществляют предварительную проверку чув-
385
РНТ-565
Рис. 7.10. Схема дифференциаль-
ной защиты трехобмоточного
трансформатора
ствительности по формуле (4.9), кото-
рая для данного случая имеет вид:
^(2)/(2)
к = сх frmin (7.8)
4 к I
СХ сз
где — расчетное наименьшее зна-
к min
чение тока двухфазного короткого замы-
кания на стороне низшего напряжения
силового трансформатора в минималь-
ном режиме энергосистемы;
/ссх — коэффициент схемы трансфор-
маторов тока при двухфазном КЗ;
к^ — коэффициент схемы трансфор-
маторов тока при двухфазном КЗ.
В данном случае при схеме соединений обеих обмоток силового
трансформатора звездой к^ = 1, а при схеме А /А-И к^ = V3 . Даль-
нейший расчет выполняют, если вычисленный по формуле (7.8) коэф-
фициент чувствительности оказался не менее 1,5.
При коротком замыкании внутри зоны дифференциальной защиты
и одностороннем питании защищаемого трансформатора (это худший
для защиты случай) ток срабатывания реле Равен:
(7-9)
в которой для соединения обмоток силового трансформатора А ЛА-12
£_ = 1, а для соединения А /A-П = Л •
Число витков первой уравнительной и дифференциальной обмоток,
необходимое для обеспечения срабатывания защиты, равно:
w
+ w
(7.Ю)
где — магнитодвижущая сила, необходимая для срабатывания реле 2 (см.
рис. 7.9) и для реле РНТ-565 равная 100 А.
386
Для обеспечения принятого в расчете условия &fB = 0 (полное вырав-
нивание плеч защиты) необходимо соблюдение условия Z21 (wyi + ^д) =
= /22(wy2+ ^д)’ 0ТСЮДа следует:
wy2 + = (Wyl+ ^д) ^21 / Z22- (7-1 о
Значения Z2l и Z22 вычисляют, как было указано выше, при Zj ] = 1\ 1ном
и Z12 = Z12hom. Используя отпайки на обмотках реле РНТ-565, подбирают
число витков wyp wy2, и>д так, чтобы выполнялись условия (7.10) и (7.11).
Следует отметить, что из-за ограниченного числа отпаек выполнить
точно условия (7.10) и (7.11) в общем случае не удается, поэтому вели-
чина Д/в в формуле (7.6), хотя и снижается, однако, не до нуля. В этом
случае необходимо определить полученное при данных отпайках значе-
ние Д/в, вычислить по формуле (7.6) значение ZH6max и при рассчитан-
ном ранее значении /сз вычислить значение кз2 (&з2 = 43 / 4<бтах)- ^°‘
рядок вычислений приведен в [24, 43]. Подбор числа витков wyl, wy2,
считается законченным, если полученное значение кз2 будет не менее
1,3, а коэффициент чувствительности отвечать требованиям [38].
В тех случаях, когда коэффициент чувствительности оказывается
меньше нормативного из-за составляющей Д£7рег в формуле (7.6), что
может иметь место для трансформаторов с встроенным устройством
РПН, применяют дифференциальную защиту с торможением.
В дифференциальной защите с фильтром нижних частот используется
реле типа РСТ15 (РСТ16) или дифференциальное реле устройства ЯРЭ-
2201, выполненные на интегральных микросхемах, имеющие сходный
принцип действия и во многом аналогичные схемы. Реле РСТ15 пред-
назначено для частоты 50 Гц, а РСТ16 — 60 Гц. Эти реле, в отличие от
устройства ЯРЭ-2201, не имеют тормозных цепей. Упрощенная струк-
турная схема (рис. 7.11) содержит промежуточный трансреактор TAV,
выпрямитель Ш, фильтр нижних частот ZF, пороговый элемент А1, эле-
мент выдержки времени А2 и выходной орган (усилитель или реле) АЗ.
Первичная обмотка трансреактора включается в плечи дифферен-
циальной защиты. Эта обмотка содержит основную (рабочую) и две урав-
нительные Ур.1, Ур.2 обмотки с отпайками на каждой, с помощью кото-
рых выравниваются МДС плеч защиты. Трансреактор TAV преобразует
ток в напряжение и является дифференцирующим звеном, поэтому мед-
ленно изменяющаяся апериодическая составляющая тока /д, возника-
ющая при включении трансформатора, во вторичную обмотку практи-
чески не трансформируется.
387
От тормозного
блока
Рис. 7.11. Упрощенная структурная схема дифференциального реле тока
с фильтром нижних частот
Выпрямитель U1 выполнен без сглаживания, поэтому напряжение
ив на его выходе содержит как постоянную, так и переменную составля-
ющие. Фильтр нижних частот ZF выполнен так, что постоянную состав-
ляющую напряжения и3 он пропускает без изменения, переменную со-
ставляющую нормальной частоты (50 Гц) усиливает примерно в 2 раза,
а переменную составляющую двойной частоты ослабляет в 3 раза. По-
роговый элемент А1 срабатывает, если напряжение превысит поро-
говое значение Uq и возвращается в исходное положение, если напря-
жение Мф станет меньше порогового значения Uq. Если условие «ф > Uq
соблюдается дольше выдержки времени элемента А2, то приводится в
действие выходной орган АЗ, который подает сигнал в цепь отключе-
ния выключателей со всех сторон трансформатора.
Пороговый элемент А1 в дифференциальной защите устройства ЯРЭ-
2201 может иметь связь с тормозным блоком (пунктир на рис. 7.11). Реле
РСТ такой связи не имеет.
Рассмотрим поведение схемы при коротких замыканиях в зоне за-
щиты и при включении трансформатора. Формы кривых тока и напря-
жений в схеме при коротком замыкании внутри трансформатора (для
одной фазы защиты) приведены на рис. 7.12, а. Синусоидальный ток /д
при коротком замыкании, проходя через дифференцирующее звено
(трансреактор TAV), преобразуется в косинусоидальное напряжение, ко-
торое после выпрямления имеет вид полуволн и3 = f(t). Такая кривая мо-
жет быть представлена в виде постоянной составляющей и переменной
составляющей двойной частоты (100 Гц). Фильтр ZF пропускает постоян-
ную составляющую и ослабляет составляющую двойной частоты, т.е. дей-
ствует в данном случае как сглаживающий фильтр. Напряжение мф=/а)на
его выходе является постоянным с небольшой пульсацией.
388
a
Рис. 7.12. Формы кривых тока и напряжений в реле РСТ-15
На этом же графике показано пороговое напряжение С70. Поскольку
«ф> Uq в течение всего времени короткого замыкания, то сработавший
пороговый элемент А1 через 22 мс вызовет действие элементов А2 и АЗ,
что приведет к отключению выключателей.
Иначе обстоит дело при включении трансформатора, когда возни-
кает бросок тока намагничивания (рис. 7.12, б). Форма тока /д = ДО
при этом несимметрична. Ток /д, продифференцированный в трансре-
акторе и преобразованный в напряжение, после выпрямления имеет
вид Нф = ДО- Кривая этого напряжения содержит постоянную состав-
ляющую и переменную составляющую нормальной частоты (50 Гц).
Постоянная составляющая пропускается фильтром без изменения, а
переменная — усиливается. В результате кривая напряжения = ДО
имеет вид синусоиды, смещенной относительно оси времени.
В течение одного периода (20 мс) значение то превышает величи-
ну порогового напряжения Uq, то становится меньше его. Поэтому дли-
тельность сработанного состояния порогового элемента А1 не может
превышать 20 мс, что меньше выдержки времени элемента А2. В резуль-
тате при бросках намагничивающего тока элемент А2 не успевает сра-
батывать и защита не действует.
389
Принципиальная схема реле РСТ15 приведена в [22]. Его массогаба-
ритные и электрические характеристики лучше, чем у реле РНТ-560. Реле
РСТ15 (РСТ16) предназначены для использования в дифференциаль-
ных защитах трансформаторов и мощных электродвигателях, когда не
требуется загрубление защиты при внешних КЗ.
Параметры срабатывания защиты с реле РСТ15 (РСТ16) выбирают-
ся по выражениям (7.4) и (7.5) при £з1 равном 0,3—0,7 и при &з2 равном
1,2—1,3. МДС срабатывания Fcp == 50 А.
Дифференциальная защита с торможением с реле ДЗТ применяется в
тех случаях, когда из-за внешних КЗ не удается обеспечить £ч > 2. В схе-
ме защиты с реле ДЗТ в однофазном исполнении (рис. 7.13, а) для двух- и
трехобмоточного трансформатора трехстержневой сердечник 1 облада-
Рис. 7.13. Схема защиты с реле ДЗТ (а, в, г) и характеристики срабатывания
реле (6)
390
ет такими же свойствами, как в реле РНТ, позволяя отстраивать защиту
от бросков тока намагничивания при включении. На сердечнике име-
ются обмотки: уравнительные wyl и wy2, дифференциальная >гд, тормоз-
ная wT и рабочая wp. Все обмотки, кроме wp, имеют отпайки, что позво-
ляет компенсировать ток небаланса, вызванный неравенством вторич-
ных токов трансформаторов тока, и регулировать эффективность
торможения при внешних КЗ.
Магнитный поток, создаваемый обмотками wT, замыкается по крайним
стержням и наводит в полуобмотках wp одинаковые ЭДС. Однако полуоб-
мотки wp включены так, что сумма этих ЭДС в реле 2 равна нулю. Таким
образом, ток тормозных обмоток в реле 2 не трансформируется. Этот ток
лишь насыщает крайние стержни, увеличивая их магнитное сопротивление.
При внешнем КЗ увеличивается ток небаланса вследствие действия
устройств РПН и погрешностей трансформаторов тока, увеличивается
поэтому и результирующий (рабочий) магнитный поток в среднем сер-
дечнике. Этот поток замыкается по крайним стержням и наводит в об-
мотках wp ЭДС, которая может вызвать действие реле 2. ЭДС в обмот-
ках wp зависит от магнитного сопротивления крайних стержней. При
наличии тока 1трм в обмотках wT ухудшаются условия трансформации
тока небаланса в обмотки wp, чем и обеспечивается торможение, т.е. сни-
жение чувствительности защиты при внешних КЗ.
Чем бблыпая МД С FT создается током через тормозные обмотки реле,
тем ббльший магнитный поток _Fp требуется для срабатывания реле. Из
характеристики срабатывания (тормозной характеристики) реле ДЗТ-11,
т. е. зависимости от Fr (рис. 7.13, б), видно, что надежное несрабатыва-
ние при внешних КЗ обеспечивается, если значение F^/FT = tga находится
в области II, расположенной ниже касательной, проведенной к нижней
кривой характеристики из начала координат. Для реле ДЗТ-11 tga « 0,87.
При КЗ внутри зоны защиты МДС Fp, создаваемая током рабочих
обмоток, расположенных на среднем стержне магнитопровода 7 (см.
рис. 7.13, а), оказывается больше, чем МДС тормозных обмоток FT (об-
ласть I на рис. 7.13, б). При этом, несмотря на подмагничивание крайних
стержней магнитопровода 7, ток в реле 2 достаточен для срабатывания пос-
леднего. При одностороннем питании трансформатора (см. рис. 7.13, а)
тормозную обмотку wT подключают к трансформаторам тока вторичной
(питаемой) стороны. Этим обеспечивается торможение только при вне-
шних КЗ и отсутствие торможения при внутренних КЗ, что повышает
чувствительность защиты.
391
Токи небаланса /нб многообмоточных трансформаторов, имеющих
источники питания с нескольких сторон, обычно больше, чем у двухоб-
моточных. Кроме того, эти токи при КЗ за разными обмотками много-
обмоточного трансформатора, как правило, неодинаковы. Тормозная
обмотка реле в этом случае должна подключаться к трансформаторам
тока той стороны защищаемого трансформатора, внешние КЗ на кото-
рой обусловливают наибольшие величины тока небаланса (рис. 7.13, в).
Более эффективным является включение тормозной обмотки wT на
сумму токов обеих питаемых сторон трехобмоточного трансформато-
ра (рис. 7.13, г), благодаря чему исключается влияние тормозной об-
мотки при КЗ в зоне действия защиты.
Ток срабатывания защиты с торможением находится по условию (7.4)
при &з1 = 1,5. Число витков уравнительных и дифференциальной (рабо-
чей) обмоток вычисляется так же, как для защиты с реле РНТ Число
витков тормозной обмотки определяют исходя из условия, чтобы отноше-
ние F^/F^ при внешних КЗ оказалось в области надежного несрабатывания
II тормозной характеристики (см. рис. 7.13, б) и>т > ^^бтах^рА Аалах
где — наибольшее значение периодической составляющей тока
при внешнем трехфазном КЗ на той стороне трансформатора, где вклю-
чена тормозная обмотка; wp — расчетное число витков рабочей обмот-
ки; для схем включения реле, приведенных на рис. 7.13, а и в, wp = wy2 +
+ м>д, а для схемы, приведенной на рис. 7.13, г, wp = и>д.
Вместо реле типов РНТ и ДЗТ можно использовать новые реле тока
дифференциальные серии РСТ 23 с торможением в унифицированном
корпусе «СУРА» II габарита. Они предназначены для использования в
схемах дифференциальной защиты одной фазы высоковольтных элект-
родвигателей, понижающих трансформаторов, шин и ошиновок. Напря-
жение питания для разных модификаций 110 и 220 В постоянного тока.
Диапазон токов срабатывания от 0,84 до 20 А или от 2 до 48 А. Реле токов
РСТ 23-1, РСТ 23-2, РСТ 23-6 выполнены с торможением от двух сто-
рон. Коэффициент торможения имеет три значения: 0,6; 0,9; 1,2. Время
срабатывания при токе, превышающем уставку в два раза, — не более
0,04 с. Реле имеет один замыкающий контакт с коммутационной спо-
собностью при напряжении от 24 до 250 В постоянного тока 30—50 Вт.
Чебоксарским электроаппаратным заводом (ЧЭАЗ) с 80-х гг. XX века
выпускается и более сложная дифференциальная защита типов ДЗТ
21, ДЗТ 23, выполненная на дискретных полупроводниковых элемен-
тах и предназначенная в качестве основной для трех фаз силовых
392
трансформаторов и автотрансформаторов при всех видах короткого
замыкания. Она обеспечивает торможение от двух групп трансфор-
маторов тока с регулируемым коэффициентом торможения от 0,3 до
1. Ток срабатывания регулируется от 0,3 до 0,7 номинального тока
трансформатора [87].
Дифференциальная защита с торможением устройства ЯРЭ-2201 под-
ключается к трансформаторам тока так же, как реле ДЗТ (см. рис. 7.13). В
ней предусмотрены блоки для выравнивания вторичных токов плеч за-
щиты. Упрощенная структурная схема отличается от приведенной на
рис. 7.11 наличием дополнительного тормозного блока, выходной сиг-
нал которого поступает на пороговый элемент А1 (см. рис. 7.11).
Тормозной блок (рис. 7.14) содержит промежуточный трансформа-
тор TLA, первичная обмотка которого wT включена в цепь тормозного
тока ZppM (см. рис. 7.13, а), ко вторичной обмотке подключены выпря-
митель U2 и ограничитель по максимуму и минимуму ZL. Выход этого
ограничителя подключен к пороговому элементу А1, как показано пун-
ктиром на рис. 7.11. Чем больше ток на выходе ограничителя ZL, тем
больше величина порога срабатывания Uq порогового элемента А1 за-
щиты (см. рис. 7.11). В этом случае защита может сработать только при
большом значении тока в первичной обмотке трансреактора TAV (см.
рис. 7.11). Таким образом, с увеличением тормозного тока диффе-
ренциальная защита загрубляется и не будет излишне срабатывать
при внешних КЗ.
Характеристика срабатывания показана на рис. 7.15. При тормозном
токе величина которого меньше 0,8 ZTH0M, где 7ТН0М — номиналь-
ный ток трансформатора, ограничитель ZL заперт и пороговый элемент
А1 имеет наименьшую уставку 7^^- Если отношение пре-
вышает значение 0,8, то ограничитель отпирается и с ростом значения
линейно увеличивает порог срабатывания Uq (см. рис. 7.12) поро-
гового элемента А1, а следовательно, и уставку защиты /ср. При отно-
шении больше 7—14 дальнейший рост значения 1сп ограни-
читель ZL останавливает.
ZL
ТП К пороговому
/и —► элементу А1
Z____ (см. рис. 7.11)
Рис. 7.14. Упрощенная структурная схема тормозного блока дифференциаль-
ной защиты в устройстве ЯРЭ-2201
393
Рис. 7.15. Характеристика срабаты-
вания защиты
Дифференциальная защита устрой-
ства ЯРЭ-2201 выполняется в виде от-
дельных блоков, показанных на прин-
ципиальной схеме защиты (рис. 7.16)
пунктиром [19]. Блок ДОЗЮ содер-
жит трансреактор TAV, выпрямитель
U1 (диоды VD1, VD2, резисторы R1,
R2, стабилитрон VD3) и фильтр ниж-
них частот ZF, выполненный на опе-
рационном усилителе А1, резисторах
и конденсаторах. Блок ТОЗЮ содер-
жит пороговый элемент на операционном усилителе А2. Его порог сра-
батывания регулируется набором резисторов R9. Кроме того, в этом же
блоке размещен элемент выдержки времени на транзисторе VT1 с за-
рядной RC-цепочкой (резистор R12, конденсатор СЗ). В исходном со-
стоянии (при отсутствии сигнала на выходе блока ДОЗЮ) напряжение
на выходе усилителя А2 близко к напряжению питания — Un, конденса-
тор СЗ разряжен, транзистор VT1 закрыт. Если сигнал на выходе блока
ДОЗЮ достаточен для срабатывания порогового элемента (операцион-
ный усилитель А2), то напряжение на его выходе станет близким к
-Ь С/п=15 В, диод D4 запирается и начинается заряд конденсатора. При-
мерно через 22 мс напряжение на нем превысит падение напряжения
на резисторе R17 и транзистор VT1 откроется, воздействуя на выходной
орган защиты. Для обеспечения четкого открывания транзистора VT1
между его коллектором и инверсным входом порогового элемента А2
образована положительная обратная связь через резистор R13.
Если же пороговый элемент А2 возвращается в исходное состояние
(напряжение на выходе — Un) ранее, чем через 22 мс, то конденсатор СЗ
быстро разряжается через резистор R11 и транзистор VT1 не откроется.
Блок ДОЗЗО является тормозным. Он содержит промежуточный
трансформатор TAL, выпрямитель VD, стабилитрон VD7, ограничива-
ющий величину выпрямленного напряжения, сглаживающий конден-
сатор С4. Диод VD8 закрыт падением напряжения на резисторе R20 от
напряжения — Un = —15 В источника питания. Диод VD8 открывается,
когда напряжение на выпрямителе станет больше этого падения напря-
жения, что соответствует условию 1трм > 0,8 /т ном. С выхода блока ДОЗЗО
ток подается через резистор R23 на инверсный вход операционного уси-
лителя А2, выполняющего роль порогового элемента. Этот ток склады-
394
-15В
Рис. 7.16. Упрощенная принципиальная схема блоков дифференциальной
защиты устройства ЯРЭ-2201
вается с током, протекающим через резистор R9, поэтому напряжение
Uq срабатывания порогового элемента увеличивается.
Принцип действия защиты при внутренних КЗ и при бросках тока
намагничивания не отличается от описанного выше для дифференци-
альной защиты с фильтром нижних частот. Массогабаритныс показате-
ли и свойства защиты лучше, чем у реле ДЗТ
Защиту трансформаторов можно осуществить с помощью микропро-
цессорных блоков БМРЗ и SPA.
395
7.5. Вычисление расчетных значений токов
(7.12)
4зи
НОМ
Нормальный режим и многофазные КЗ. Для выбора уставок защиты по
приведенным формулам необходимо задаться характером режима работы
или видом КЗ, вычислить соответствующие им величины расчетных токов
и выбрать значения расчетных коэффициентов схемы по табл. 2.3. Оценка
нормального режима работы осуществляется по значению номинального
тока трансформатора /тном, А, которое вычисляется по формуле
5
Л, ном
где STH0M — номинальная мощность трансформатора, кВ-А;
^ном номинальное межпуфазное напряжение той обмотки трансформа-
тора, для которой определяется величина тока, кВ.
Методика расчета токов короткого замыкания для общего случая
описана в [3, 84, 88, 144, 147,148]. Для распределительных сетей и сис-
тем электроснабжения тяги расчет в большинстве случаев можно про-
изводить как для удаленных КЗ, т.е. в предположении, что периодичес-
кая составляющая тока КЗ во времени не меняется. Вычисление токов
КЗ осуществляется на основании схемы замещения.
Вычисляется обычно величина периодической составляющей тока
трехфазного КЗ . Если надо учесть возможность появления и апе-
риодической составляющей, то это выполняется с помощью коэффи-
циента &ап, как например в формуле (7.6). Чувствительность защит про-
веряется по формуле (4.9), в которой в качестве принимается, как
правило, ток двухфазного КЗ I®*. Поскольку для рассматриваемых си-
Ль
стем меньше чем /Р , то условия чувствительности, выполненные
К к
для двухфазного КЗ, тем более будут выполняться и для трехфазных КЗ.
Ток двухфазного КЗ вычисляют по формуле
/(2)=2/Ъ<3). (7.13)
Двухобмоточные трансформаторы. Вычисление тока трехфазного КЗ
/9^ осуществляется на основе схемы замещения [3, 88, 148], которая
К
396
в простейшем случае имеет вид, приведен-
ный на рис. 7.17, б. В схеме замещения, ко-
торая изображается в однолинейном виде,
энергосистема представлена сопротивлени-
ем Zc, а трансформатор Т— сопротивлени-
ем Zp Для каждого потребителя, получаю-
щего питание от энергосистемы, задается
либо величина сопротивления одной фазы
Хс (сопротивление энергосистемы носит
индуктивный характер и для всех трех фаз
принимается одинаковым), либо мощ-
ность КЗ на вводах у потребителя. Эти ве-
личины связаны соотношением: Z = Z =
и и
= U^/Sci где Uq — базисное напряжение,
т.е. то напряжение, для которого задана величина мощности КЗ, кВ;
5С — мощность КЗ на вводах, МВ-А. При этих размерностях Хс получа-
ется в омах.
Если параметры энергосистемы на вводах трансформатора Т не за-
даны, то их необходимо вычислять [3, 88]. Трансформатор Т мощностью
2,5 М-А и менее может получать питание через линию электропередачи
от другого трансформатора, расположенного, например, в центре пита-
ния, на районной или тяговой подстанции. В этом случае принимают:
а
Рис. 7.17. Схема питания транс-
форматора (а) и ее схема заме-
щения (б)
где Ярд , — соответственно активная и индуктивная составляющие сопро-
тивления трансформатора центра питания, Ом;
— сопротивление энергосистемы на вводах центра питания, Ом;
Гр Х| — соответственно активная и индуктивная составляющие сопротив-
ления прямой последовательности линии электропередачи, Ом/км;
I — длина линии, км.
Если сопротивление Zj какого-либо элемента схемы замещения, в том
числе и сопротивление энергосистемы, вычисленное при напряжении
необходимо привести к напряжению f72>то это выполняется по формуле:
(7.14)
397
Величина тока трехфазного КЗ в точке К1 (рис. 7.17, а)
вн
у/зх ’
с
(7.15)
где £/вн — междуфазное (линейное) напряжение на шинах, получающих пита-
ние от энергосистемы, В.
Пример 7.1. Вычислить ток двухфазного КЗ в точке К1 для схемы, приведен-
ной на рис. 7.17, при условиях: 5С = 1000 MBA, Щ = Um = 35 кВ, (7ВН =110 кВ.
Находим сопротивление энергосистемы при базисных условиях:
tZ? 352
S ”1000
с
= 1,225 Ом.
По формуле (7.14) приводим величину этого сопротивления к напряжению f/BH:
Ом.
Величину тока трехфазного КЗ в точке К1 (см. рис. 7.17) находим по формуле (7.15):
^вн 110000
к J1X >/312,1
С
= 5250 А.
Ток двухфазного КЗ в точке К1 (см. рис. 7.17), приведенный к напряжению
t/BH, вычисляем по формуле (7.13):
/<2) = —Z<3) = —5250 = 4547 А.
* 2 к 2
Величину тока трехфазного КЗ за трансформатором определяют по
формуле:
Р? ________________т_____________
(7.16)
где Ur — расчетное междуфазное (линейное) напряжение той ступени, для ко-
торой вычисляют ток КЗ, В;
398
Яр, Хт — соответственно активное и индуктивное сопротивления трансфор-
матора, приведенные к напряжению UT, Ом;
Яп — переходное сопротивление контактных соединений и электрической
дуги в месте КЗ, Ом.
При КЗ в точке К2 (см. рис. 7.17) UT =
Пересчет (приведение) тока к другой ступени напряжения трансфор-
матора осуществляется по формуле:
(7.17)
где /р Ц — соответственно ток и номинальное напряжение одной ступени;
соответственно ток и номинальное напряжение другой ступени.
Полное сопротивление 2^, Ом, одной фазы двухобмоточного транс-
форматора (см. рис. 7.17) вычисляют по формуле:
(l±a )u.U2
v з' к ро
1005
т,ном
(7.18)
где ик — напряжение КЗ, %;
а3 — заводской допуск на величину напряжения КЗ;
Upo — номинальное междуфазное напряжение ответвления обмотки транс-
форматора, которому соответствует значение ик, кВ;
5тн0м “ номинальная мощность трансформатора, МВ-А.
В реальных трансформаторах значение ик может отличаться от ука-
занного в справочных данных или паспорте на величину заводского до-
пуска ±10 %. В расчетах принимают обычно среднее значение а3 = 0,05.
Знак «плюс» в формуле (7.18) используется, если ставится задача найти
минимальное значение тока КЗ, например, при проверке чувствитель-
ности защиты; знак «минус» — для определения максимальных значе-
ний тока КЗ, например, при выборе уставки токовой отсечки. Для транс-
форматоров, снабженных автоматическими регуляторами напряжения
под нагрузкой (АРПН), в паспортах приводится значение ик как для
среднего ответвления регулируемой обмотки, так и для крайних. Если
АРПН расположен на обмотке ВН, то наибольшее значение соответ-
ствует наибольшему напряжению регулируемой обмотки трансформа-
тора, наименьшее значение — наименьшему значению напряжения
этой же обмотки.
399
В режиме максимума энергосистемы из-за большой нагрузки напря-
жение, подводимое к вводам потребителя (к обмотке ВН понижающего
трансформатора), обычно снижается. При этом АРПН переключается
так, чтобы на вторичной обмотке низшего напряжения НН трансфор-
матора напряжение оставалось близким к номинальному, поэтому зна-
чение ик уменьшается. В режиме минимума энергосистемы из-за сни-
жения нагрузки потребителей напряжение на вводах может повышать-
ся; при этом АРПН повышает значение Следовательно, при наличии
на трансформаторе АРПН значение сопротивления 2^ может быть в про-
цессе нормальной его эксплуатации разным.
В тех случаях, когда уставка релейной защиты определяется по наи-
большему току КЗ Ik тах (например для токовой отсечки), сопротивле-
ние трансформатора 2? определяют при наименьшем значении ик. Если
для выбора уставки требуется знать минимальное значение тока КЗ /д-тах
(например, при оценке чувствительности защиты), то сопротивление
ZT определяют при большем значении ик.
Пример 7.2. Вычислить приведенные к напряжению обмотки НН 35 кВ со-
противления двухобмоточного трансформатора при среднем и крайних поло-
жениях АРПН. Номинальная мощность 5ТНОМ =16 MB A, номинальное напря-
жение обмотки ВН — 110 кВ. Номинальное напряжение, соответствующее сред-
нему отводу, равно С/ро ср — 115 кВ. Номинальные напряжения крайних отводов
равны ^pomin =96,58 к§, Слотах = кВ (Д/1Я сетей класса ПО кВ максималь-
ное напряжение свыше 126 кВ не допускается, поэтому ответвления трансфор-
матора с более высокими номинальными напряжениями, даже если они име-
ются, использованы быть не могут). Этим напряжениям соответствуют значе-
ния напряжений КЗ: =9,8 %, м^р=10,5 %, =11,2 %.
Будем считать, что относится к режиму максимума, а И£щах — к
режиму минимума энергосистемы. Принимаем для этих крайних режимов
а3 = —0,05 и а3 =+0,05 соответственно, а для среднего режима а3 =0.
По формуле (7.18) получаем:
(1- 0,05)9,8- 96,582
. . =-----------------------= 54,3 Ом
т,min.H0 100-16
т,ср, 110
1-10,5-1152
100-16
= 86,8 Ом;
т.тахД 10
(1 +0,05)11,2-1262
100-16
= 116,7 Ом.
400
По формуле (7.14) приводим эти сопротивления к напряжению обмотки
низшего напряжения НН:
т,min,35
= 7,13 Ом;
Z =86,8
т,ср,35
= 8 Ом;
т,max ,35
= 9 Ом.
Активное сопротивление трансформатора, Ом, вычисляют по выра-
жению:
Т,НОМ
5
т,ном )
(7.19)
где Pk — потери КЗ при номинальном токе трансформатора, Вт;
<4 ном номинальное междуфазное напряжение той обмотки трансформа-
тора, к которой приводится сопротивление, кВ;
\ном номинальная мощность трансформатора, кВ-А.
Индуктивное сопротивление трансформатора
(7.20)
Для трансформаторов с высшим напряжением 35 кВ и более сопро-
тивлениями Ар и Ап пренебрегают. В этом случае вычисляют по
формуле (7.18).
Пример 7.3. Вычислить токи трехфазного КЗ двухобмоточного трансфор-
матора для среднего и крайних положений АРПН при КЗ в точке К2 (см.
рис. 7.17). Сопротивление энергосистемы, приведенное к стороне ВН транс-
форматора (=110 кВ), равно Хс = 12,1 Ом. Сопротивления трансформато-
ра, приведенные к напряжению ПО кВ обмотки ВН, равны: Zrmin = 54,3 Ом;
^г,Ср = 86,8 Ом; ^тах = 116,7 Ом. Сопротивлению 2^^ соответствует поло-
жение АРПН при напряжении 96,58 кВ, сопротивлению Z^ — то же при на-
пряжении 115 кВ, сопротивление — то же при напряжении 126 кВ.
401
Поскольку номинальное напряжение обмотки ВН равно 110 кВ, то 7^ = 7^ = 0
и ^Lmin — ^r,min’ ^г.ср ~ ^т,ср’ ^г,тах ~ ^т,тах*
По формуле (7.16) находим токи трехфазного КЗ для заданных положений
АРПН, приведенные к стороне ВН:
у(3) _ __ 96,58 ‘ 10
*’тах 7з(Х + Х ) " 73(12,1 + 54,3)
с т.тт
7(3) - ^н,ср__________ 115-ю3 _671Л.
*’ср 7з(Х +Х ) 73(12,1 + 86,8)
С Т,Ср
^(3) _______BH,max
*’т‘п-7з(^ +х
с тдпах
12611,3 = 545 А.
По формуле (7.17) приводим эти токи к ступени напряжения НН (Ц1Н = 35 кВ):
/3) = 840^^ = 2318 А; /3) =671—= 2205; /3). =545—= 1962 А.
к,max 35 к, ср 35 к,min 35
Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. На рис.
7.18 приведены условное обозначение (рис. 7.18, а) и схема замещения
(рис. 7.18, б) трехобмоточного трансформатора, которая в однолиней-
ном изображении имеет вид трехлучевой звезды. В паспортных данных
на трансформаторы приводятся величины напряжений КЗ между каж-
дой из пар обмоток: ^вН-НН’ W£CH-HH-
Для трехобмоточных трансформаторов с РПН, так же как для двухоб-
моточных, указываются значения напряжения КЗ для среднего и край-
них отводов регулируемой обмотки.
Напряжение короткого замыкания каждой обмотки вычисляют по
формулам:
WA\BH ~°’5^,ВН-СН + ”W£,CH-Hh)’
\сн ~0,5(\вн-сн +wfc,CH-HH “\bh-htP5
W£,HH ^О’^.ВН-НН +WAr,CH-HH “МЛ,ВН-СН^
(7.21)
Сопротивления каждого из лучей трехобмоточного трансформато-
ра, приведенные к одному и тому же напряжению {/ , вычисляют по
402
формуле (7.18). Трехобмоточные тран-
сформаторы выпускаются мощнос-
тью не менее 6,3 MB-А. Активное со-
противление у них из-за малости не
учитывается, поэтому для таких тран-
сформаторов = Х^
Схема питания от двух источников
при КЗ на выводах обмотки НН при-
ведена на рис. 7.19, а, а се схема за-
мещения — на рис. 7.19, б. Сопротив-
ления первичной сети источников
обозначены Ус1 и Х& При удаленных
КЗ источники питания можно совме-
Рис. 7.18. Условное обозначение
(а) и схема замещения (б) трехоб-
моточного трансформатора
стать и тогда схема замещения при-
мет вид, показанный на рис. 7.19, в. Для этой схемы:
(ЛГ . + X Ott)(>V о +Х ги)
' - cl t,BH/v с2 t,CHz
1 ~ Y 4- Y 4- Y 4- Y
cl т,ВН c2 t,CH
Ток трехфазного КЗ для схемы, приведенной на рис. 7.19, в, равен:
(7.22)
W -_________т______
к )
1 Т,х1М
Рис. 7.19. Схемы питания и замещения при КЗ за трехобмоточным трансфор-
матором
403
Если же трансформатор Т (см. рис. 7.19, а) получает питание только
от одного источника (Jfc2 = °°), то формула (7.22) принимает вид:
у/3{Х . + X + X тли) \Z3(^T . + X olJ »ти)
v cl т,ВН v cl t,BH“HH7
(7.23)
где = ^T,BH + ^r.HH вычисляют по формуле (7.18) при uk- м^вн-НН-
Если КЗ происходит на выводах обмотки СН, то в формулу (7.23)
вместо подставляют -A^qpj, а вместо у^’ВН-Н_Н подставляют -А^вр^^рр
которые вычисляют по формуле (7.18) при uk = w£bh-CH
В табл. 7.1 приведены значения напряжений КЗ для трансформато-
ров с напряжением обмотки ВН 110 кВ для среднего (ном) и крайних
ответвлений (—РО) и (+РО) трансформатора с РПН. Крайнему отводу
(—РО) соответствует напряжение Upo = 96,58 кВ, среднему отводу (ном) —
Upo =115 кВ, другому крайнему отводу (+РО) — /7ро = 126 кВ.
У трехобмоточных автотрансформаторов обмотка НН не имеет элек-
трической связи с обмотками ВН и СН. Как и у обычных трансформа-
торов эта связь только электромагнитная. Схема замещения трехобмо-
Таблица 7.1
С °'Г, НОМ) МВ-А Положе- ние от- ветвлений Напряжения КЗ, отнесенные к 5Т>НОМ и Цю> Для числа обмоток трансформатора
две три
вн-нн ВН-СН ВН-НН СН-НН
-РО 9,63 10,12 17,23
6,3 ном 10,5 10,5 17,0 6,0
+РО 11,25 11,85 17,5
-РО 8,7 ' 9,99 16,66
10,0 ном 10,5 10,5 17,0 6,0
+РО 11,7 11,8 18,5
-РО 9,8 9,50 16,4
ном 10,5 10,5 17,0 6,0
16,0 +РО 11,71 и,з 17,9
-РО 16,48 9,58
ном — 17,0 10,5 6,0
+РО 17,9 н,з
. -РО 9,84 9,99 17,47
25,0 ном 10,5 10,5 17,5 6,5
+РО 11,2 11,3 18,7
404
Окончание табл. 7.1
с ^Т.ЙОМ, MBA Положе- ние от- ветвлений Напряжения КЗ, отнесенные к 5ТЯ0М и для числа обмоток трансформатора
две три
ВН-НН ВН-СН ВН-НН СН-НН
-РО 9,77 9,52 17,04
ном 10,5 10,5 17,5 6,5
40,0 +РО 11,15 и,з 18,6
-РО 17,03 9,5
ном — 17,5 10,5 6,5
+РО 18,6 п,з
-РО 9,59 10,10 17,14
ном 10,5 10,5 17,5 7,0
63,0 +РО 11,1 и,з 18,6
-РО 17,20 10,10
ном — 17,5 10,5 7,0
+РО 18,6 н,з
точного автотрансформатора имеет такой же вид, как для трехобмоточ-
ного трансформатора (см. рис. 7.18). Мощность 5атНН, как правило, мень-
ше номинальной мощности 5ат ном автотрансформатора. Напряжение
короткого замыкания ик вн-СН»указываемое в паспортных данных, все-
гда приведено к номинальной мощности автотрансформатора. Если на-
пряжения короткого замыкания вн-НН и ик СН-НН также приведены
к этой номинальной мощности, то сопротивления ^атвн> ^атСН’ НН
схемы замещения (см. рис. 7.18) вычисляют по формулам (7.21).
Если же в паспортных данных указаны значения i/K вн-НН и к СН-НН’
приведенные к мощности ^2Тнн обмотки НН, то для вычисления сопро-
тивлений ZaTBH, ^атсн’ ^кНН по Формулам (7.21) необходимо предва-
рительно привести эти напряжения к номинальной мощности 5ат ном
автотрансформатора по формулам, %:
= Uk, ВН-НН _ Uk, СН-НН
Uk,ВН-НН ” п ’ Uk,СН-НН п
где а — отношение мощностей обмотки НН к номинальным значениям (а =
~ ^атНН / *$ат ном)’
Трансформатор с расщепленной обмоткой. Трехобмоточный трансфор-
матор, имеющий одну обмотку высшего напряжения ВН и две одина-
405
Рис. 7.20. Условное обозначение (а)
и схема замещения (б) трансформатора
с расщепленной обмоткой
Сопротивления схемы замещения,
новых обмотки низшего напряже-
ния НН1 и НН2, мощность которых
в 2 раза меньше мощности обмотки
ВН, называется трансформатором с
расщепленной обмоткой. Такие тран-
сформаторы могут быть как трех-
фазными, так и однофазными.
Последние используются в сис-
темах электроснабжения электри-
ческой тяги 2x25 кВ. Условное обо-
значение и схема замещения транс-
форматора приведены на рис. 7.20.
представленной в виде трехлучевой
звезды и состоящей из сопротивлений 2^,вн и ~ ^гНН2’ ВЬ1ЧИС"
ляют по формулам [88]:
Z -Z
т,ВН т,ВН-НН
(7-24)
Р
т,НН1 т,НН2 т,ВН-НН 2
где Ztbh — сопротивление обмотки ВН;
Z, ВН-НН “ сопротивление трансформатора при объединении (параллель-
ном соединении) обеих вторичных обмоток НН1 и НН2;
^гННР ^гНН2 ““ соответственно сопротивления обмоток НН1 и НН2;
Ар — коэффициент расщепления.
Сопротивление Z^ вн-НН определяют по выражению (7.18) по величине
паспортного значения напряжения КЗ вн~НН’ отнесенного к полной мощ-
ности трансформатора. Если в паспортных данных приведены напряжения
короткого замыкания uk вн-НН1 и uk ВН-НН2 межДУ обмоткой ВН и каждой
из вторичных обмоток (НН1 и НН2), причем ик вн-НН 1 = W£BH-HH2> то
значение ^>вн.нн принимают как ^>ВН.НН =
Коэффициент расщепления для трехфазных трансформаторов
принимают равным 3,5 и для однофазных — 4. Таким образом для трех-
фазных трансформаторов ZtBH = 0,125 ZtBH-HH, ZtHH1= ZtHH2 =
= 1,75 ZT вн-НН- Для однофазных трансформаторов ^вн= ^гНН1=
= ^г,НН2 = 2 А,ВН-НН’
406
Если известны паспортные значения и W£HH1-HH2 (в ка“
талогах вд.нн относят к номинальной мощности трансформатора, а
ик НН1-НН2 к номинальной мощности одной обмотки НН, т.е. к по-
ловине номинальной мощности трансформатора), то вместо формул
(7.24) используют выражения:
7 -7 -О 95Z -
т,ВН т,ВН-НН т,НН1-НН2
(1±а }U£
v 3Z ро
1005
т,ном
^Аг,НН1-НН2
Wfc,BH-HH 9
(7.24х)
(1 + а )С72
’ — 7 “ О 5Z — з ро
т,НН1 “ т,НН2 -U’ т,НН1-НН2 “"1005 “^нш-ннг'
т,ном
Сопротивление трансформатора Zx при коротком замыкании на вы-
водах одной из обмоток НН очевидно равно:
ZT =ZT,BH +ZT,HH1(2)‘ (7.25)
Для трансформаторов с расщепленной обмоткой с номинальным
напряжением обмотки ВН свыше 35 кВ активным сопротивлением об-
моток пренебрегают, поэтому для них Z,,BH.HH = ^вн-нн- ^,ВН = Л,ВН>
^г,НН1 “ ^,НН1> -^,НН2- Л,НН2'
Пример 7.4. Вычислить значение тока КЗ на выводах обмотки НН1 одно-
фазного трансформатора с расщепленной обмоткой, приведенного к напряже-
нию Цщ — 27,5 кВ. Мощность трансформатора 16 MB A, номинальное напряже-
ние обмотки ВН 110 кВ, напряжение КЗ при = 115 кВ равно w^bh-HH “ ^,5 %,
сопротивление энергосистемы Хс = 12,1 Ом.
По формуле (7.18) находим сопротивление:
7 = Х _ (1±аз)ЦА,ВН-ННУро _ 1,05-10,5 1152
т.ВН-НН т,ВН-НН 1005 Ю0 16 ’ М-
т,ном
По формулам (7.24) находим сопротивление обмоток трансформатора, при-
няв для однофазного трансформатора = 4:
^г,вн =о;
*г,НН1= ^.НН2= *г,ВН-НН V2 = 91,1-4/2=182,2 Ом.
407
Сопротивление трансформатора при КЗ на выводах обмотки НН1, приве-
денное к напряжению определяем по формуле (7.25):
= ^,ВН + ^т,НН1 = 0 + 182’2 = 182’2 Ом-
Результирующее сопротивление цепи КЗ
А^ез =2 Хс = 2*12,1 + 182,2 = 206,4 Ом.
Цифра 2 перед сопротивлением Хс обусловлена тем, что трансформатор с
сопротивлением подключен к двум фазам питающей трехфазной системы и
КЗ на выводах обмотки НН однофазного трансформатора для энергосистемы
является двухфазным.
Значение тока КЗ, приведенное к напряжению обмотки ВН однофазного
трансформатора, равно:
у(2) _ ^ВН _ 115'10
к X 206,4
рез
Приводим этот ток к напряжению обмотки НН по формуле (7.17):
г = № = 557-J2.L = 2330 А.
к к и.... 27.5
Значение этого тока можно вычислить иначе. Приводим сопротивление А^ез
к напряжению обмотки НН1 по формуле (7.14):
Y
рез,НН
^рез,ВН
U
\ ВН J
= 11,8 Ом.
Значение тока КЗ на выводах обмотки НН однофазного трансформатора
^рез,НН
27500
11,8
= 2330 А.
Трансформаторы 6(10)/0,4 кВ. При КЗ на выводах обмотки НН таких
трансформаторов, как и в цепи с напряжением до 1 кВ, необходимо учи-
тывать активное сопротивление элементов цепи, в том числе и обмоток
трансформатора, а также сопротивление контактных соединений и дуги.
Сопротивление этих трансформаторов, приведенное к стороне ВН, до-
статочно велико и, как правило, много больше, чем сопротивление вы-
соковольтной сети от энергосистемы до вводов. Поэтому при вычисле-
нии тока КЗ на выводах обмотки НН сопротивление Хс в формуле (7.16)
408
во многих случаях, особенно при малой мощности трансформатора,
принимают равным нулю.
Сопротивления трансформаторов могут быть вычислены по форму-
лам (7.18), (7.19) и (7.20). Для стандартных трансформаторов рекомен-
дуется [84] применять значения Лр и R^, указанные в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Номинальная мощность, кВ-А Расчетные параметры трехфазных трансформаторов Y/Y,, с вторич- ным напряжением 0,4 кВ
% рк, кВт Сопротивление трансформатора, мОм, приведенное к напряжению 0,4 кВ
2?т Л 7(0 ^ТО
25 4,5 0,60 154 244 1037
40 4,5 0,88 88 157 648
63 4,5 1,28 52 102 412
100 4,5 1,98 31,5 65 260
160 4,5 2,65 16,6 41,7 160
250 4,5 3,70 9,4 27,2 100
400 4,5 5,50 5,7 17,1 65
630 5,5 7,60 3,1 13,6 42
1000 5,5 10,8 2,0 8,6 27
1600 6,0 16,5 1,12 5,4 18
2500 6,0 25,0 0,64 3,46 12
Примечание', для междуфазного напряжения 0,23 кВ значения сопротивлений
уменьшаются в три раза.
Величина сопротивления контактных соединений зависит от мно-
гих факторов, учесть которые точно не представляется возможным.
В расчетах обычно принимают для КЗ на шинах 0,4 кВ сопротивление
равным 0,015 Ом (15 мОм).
При вычислении на стороне НН в формулу (7.16) вместо UT под-
ставляют линейное (междуфазное) напряжение При вычислении 1^
на стороне ВН по той же формуле все сопротивления должны быть при-
ведены к напряжению по формуле (7.14).
Однофазные КЗ на стороне НН трансформатора могут происходить,
если вторичная обмотка трехфазного трансформатора соединена в звезду
409
с выведенной нулевой точкой. В сети с трансформаторами 6-10/0,4 кВ к
нулевой точке присоединяются нулевой провод и заземляющая шина.
Короткое замыкание между одним из фазных проводов и нулевым про-
водом (или шиной) и является однофазным КЗ. Первичная обмотка (об-
мотка ВН) трансформатора может быть соединена в треугольник или
звезду Вычисление тока № однофазного КЗ для этих схем имеет свои
/С
особенности.
Трансформатор со схемой соединения обмоток /Ч/4!^. Ток однофаз-
ного КЗ /Р обмотки НН при повреждении на ее выводах равен току
трехфазного КЗ
WM3’)
и вычисляется по формуле (7.16), в кото-
рой в качестве UT используется напряжение ^нн обмотки НН, а сопро-
тивления трансформатора 7^ , вычисляют по формулам (7.18), (7.19)
и (7.20) или принимают по табл. 7.2. Этот ток проходит в одной фазе
обмотки НН. На стороне ВН при этом в одной фазе тока не будет, а в
двух других токи одинаковы, но сдвинуты на 180°. Их величина, приве-
денная к напряжению обмотки НН, равна />/3 [16, 84]. Пересчет
величины этих токов к напряжению обмотки ВН осуществляется по
формуле (7.17).
Трансформатор со схемой соединения обмоток 'TTY- Ток однофаз-
ного КЗ содержит составляющие прямой, обратной и нулевой после-
довательности, величины которых одинаковы. Ток нулевой последо-
вательности по обмотке ВН с рассматриваемой схемой проходить не
может. В эту обмотку трансформируются только симметричные состав-
ляющие прямой и обратной последовательности, т.е. не весь ток одно-
фазного КЗ. Это приводит к тому, что магнитодвижущие силы первич-
ной и вторичной обмоток компенсируются не полностью. Дополни-
тельные магнитные потоки, обусловленные разностью МДС обмоток,
замыкаются не в магнитопроводе, а через изолирующую среду и ко-
жух трансформатора. В схеме замещения трансформатора это соответ-
ствует включению в цепь тока нулевой последовательности дополни-
тельно и сопротивления ветви намагничивания трансформатора. Это
обстоятельство увеличивает от 2 до 3,6 раз сопротивление трансфор-
матора по сравнению с сопротивлением при трехфазном КЗ, главным
образом за счет индуктивной составляющей.
410
По этой причине сопротивление трансформатора мощностью до
1000 кВ-А, как правило, значительно больше сопротивления источника
питания, поэтому последним можно пренебречь. Приближенное зна-
чение тока однофазного КЗ /Р в обмотке НН при повреждении на ее
К
выводах вычисляют по формуле:
г(1) = ^hh1q3
к’
(7.26)
где /3 — одна треть сопротивления трансформатора с соединением
тО т
обмоток пРи однофазном КЗ на стороне НН, мОм;
£7НН — среднее номинальное междуфазное (линейное) напряжение сети,
питающейся от обмотки НН, В.
Сопротивление Z^ принимают по табл. 7.2.
Если бы коэффициент трансформации трансформатора был равен
единице, то на стороне ВН по одной из фаз протекал бы ток 2/^ / 3, а
по двум другим — токи / 3 с направлением, противоположным на-
правлению тока в первой фазе. Приведение этих токов к напряжению
обмотки ВН осуществляется по формуле (7.17).
Распределение токов КЗ по фазам трансформатора. Для выбора уста-
вок защит трансформатора, расположенных на стороне обмотки ВН,
которые должны срабатывать при КЗ на выводах обмотки НН, необхо-
димо учитывать распределение тока по фазам на стороне ВН [16, 17,
84]. В табл. 7.3 приведены данные о величинах тока в фазах Л, В, С со
стороны обмотки ВН трансформатора при КЗ на выводах обмотки НН.
Трехфазное КЗ между фазами а, Ь, с обмотки НН обозначено , двух-
фазное КЗ между фазами b и с обозначено , однофазное КЗ между
фазой с обмотки НН и нулевым проводом обозначено A’W .
При трехфазном КЗ по обмотке НН протекает ток Z® , величина
которого, приведенная к напряжению СТвд, определяется по формуле
411
(7.16). Токи IA, и Ic во всех фазах одинаковы по величине и сдвинуты
друг относительно друга на 120°.
Ток 1^ двухфазного КЗ вычисляют по формулам (7.13) и (7.16). Ток
/Р однофазного КЗ в зависимости от схемы обмоток трансформатора
вычисляют по формулам (7.16) или (7.26). Токи /Р, I®, , указан-
/С AC АС
ные в табл. 7.3, должны быть приведены к напряжению обмотки ВН по
формуле (7.17).
Таблица 7.3
Схемы обмоток трансформато- ра Токи фаз на стороне ВН трансформатора для видов КЗ
£(3) Kabc н2). ОС
Л 1в Л? 1а 1в Ic Ia Ib Ic
Y/A., 1 2 !L 2 /Я AC 1 1 — ——
A/Y-ii 2 Л(3) к /(3) к 2 0 £ л/3 и >/3 1
Y/Y-0(12) '1? 43> 0 /Я AC 1 I/O) I AC ПГ HD к 3 2/P К 3
Поскольку защита трансформатора устанавливается со стороны об-
мотки ВН не менее, чем в двух фазах, то расчетным для выбора устав-
ки или проверки ее чувствительности является ток той фазы, величи-
на которого является наибольшей — при многофазных КЗ и наимень-
шей — при однофазных КЗ. В табл. 7.3 жирными линиями выделены
ячейки с расчетными токами.
Оглавление
Фигурнов Евгений Петрович................................3
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................4
ВВЕДЕНИЕ.................................................6
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЕ.............17
1.1. Назначение и структурные схемы релейной защиты.....17
1.2. Основные виды релейной защиты......................20
1.3. Основные требования, предъявляемые к защите........23
1.4. Эффективность функционирования защит...............33
Глава 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ
ОПЕРАТИВНОГО ПИТАНИЯ..................................35
2.1. Измерительные преобразователи постоянного тока.....35
2.2. Гальваническая развязка измерительных преобразователей.42
2.3. Виды измерительных преобразователей переменного тока...45
2.4. Условия работы и схемы включения трансформаторов тока..46
2.5. Условия работы и схемы включения трансформаторов
напряжения..............................................58
2.6. Согласующие и промежуточные трансформаторы.........60
2.7. Понятие о переходных процессах.....................64
2.8. Фильтры............................................66
2.9. Источники оперативного питания..;..................86
ГЪаваЗ. РЕЛЕ............................................92
3.1. Классификация реле.................................92
3.2. Электромеханические реле, реагирующие на одну
электрическую величину..................................97
3.3. Полупроводниковые реле, реагирующие на одну
электрическую величину.................................116
3.4. Схемы сравнения двух и более электрических величин.135
3.5. Реле направления мощности и реле сопротивления.....176
3.6. Основные понятия о микропроцессорных защитах.......189
413
3.7. Основные сведения об интеллектуальных терминалах..204
3.8. Выходные органы защит............................226
Глава 4. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ...................235
4.1. Аварийные и ненормальные режимы сетей............235
4.2. Защиты по значению тока..........................236
4.3. Дистанционная защита.............................250
4.4. Взаимные связи в защитах.........................261
4.5. Дифференциальные защиты..........................269
4.6. Понятие о высокочастотных защитах................272
4.7. Защиты от замыканий на землю.....................281
4.7.1. Понятие о защите от замыканий на землю сетей
с заземленной нейтралью............................281
4.7.2. Однофазные замыкания на землю в сетях
с изолированной нейтралью......•..................285
4.7.3. Основные виды защит от однофазных замыканий
на землю сетей с изолированной нейтралью..........300
Глава 5. ЗАЩИТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ................323
5.1. Виды аварийных и ненормальных режимов............323
5.2. Защита обмотки статора...........................327
5.3. Защита генератора от внешних коротких замыканий
и ненормальных режимов................................334
5.4. Защита от замыканий на землю обмотки возбуждения..340
5.5. Микропроцессорная защита генераторов малой
и средней мощности....................................342
Глава 6. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.....................348
6.1. Виды повреждений и ненормальных режимов..........348
6.2. Защита асинхронного электродвигателя.............350
6.3. Особенности защиты синхронных электродвигателей...354
6,4. Защита электродвигателей напряжением до 1 кВ.....361
Глава 7. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ.......................366
7.1. Виды повреждений и ненормальных режимов..........366
7.2. Защиты, реагирующие на значение тока.............368
7.3. Газовая защита...................................376
7.4. Дифференциальная защита..........................378
7.5. Вычисление расчетных значений токов..............396
414
Учебное издание
Фигурнов Евгений Петрович
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
Часть 1
Основы релейной защиты
Учебник
Редактор Ф.А. Магидин
Технический редактор Т.А. Овчинникова
Корректоры Л.В. Лапина, Т.В. Шерстина
Компьютерная верстка А.Н. Рудяков а
Подписано в печать 15.06.2009 г.
Формат 60x84 Vie- Печ. л. 26,0. Тираж 1000 экз. Заказ №35.
ГОУ «Учебно-методический центр по образованию
на железнодорожном транспорте»
107078, Москва, Басманный пер., д. 6
Тел.: +7 (495) 262-12-47, e-mail: marketing@umczdt.ru;
http://www.umczdt.ru
ООО «Издательский дом «Транспортная книга»
109202, Москва, Перовское шоссе, д. 9., стр. 1
Отпечатано в ООО «Пиар-Пресс»
117525, Москва, ул. Днепропетровская, д. 7, корп. 1