Виды защит воздушных и кабельных линий

Виды защит воздушных и кабельных линий

1. Основная часть.

Воздушные и кабельные  линии электропередачи, имея большую  протяженность, подвержены повреждениям в большей степени, чем другое электрическое оборудование. Особенно это относится к воздушным линиям, которые подвержены повреждениям от грозовых ударов, гололеда, сильного ветра, загрязнения изоляторов и т. п. Кабельные линии, проложенные в земле, могут повреждаться из-за ухудшенных условий охлаждения, коррозии оболочек кабеля, осадки почвы, а также при земляных работах.

 Указанные выше, а также  другие причины повреждений могут  вызывать короткие замыкания  фаз между собой и на землю.  Поэтому для быстрого отключения  поврежденных линий они должны  быть оборудованы релейной защитой, действующей на отключение.

 При этом в электрических  сетях, работающих с заземленными  нулевыми точками трансформаторов,  должна действовать на отключение  как защита от междуфазных,  так и от однофазных к. з., а в сети, работающей с изолированными  нулевыми точками трансформаторов,  только защита от междуфазных к. з.

 Замыкание на землю  одной фазы в сети, работающей  с изолированными нулевыми точками  трансформаторов, не вызывает  нарушения работы потребителей  электрической энергии. Поэтому  защита от замыканий па землю  с действием на отключение  в этих сетях, как правило,  не применяется, но для ускорения  отыскания места повреждения  устанавливается защита с действием  на сигнал.

 Защиты линий отличаются  многообразием и определяются  главным образом схемой работы  линии, напряжением сети и ответственностью  питаемых потребителей.

 Для защиты линий  с односторонним питанием применяются:  максимальная токовая защита, токовая  отсечка, токовая поперечная дифференциальная  защита параллельных линий, направленная  токовая поперечная дифференциальная защита параллельных линий

 Для защиты линий  с двусторонним питанием, кроме  указанных выше защит, применяются:  максимальная направленная защита, направленная отсечка, продольная  дифференциальная защита, дистанционная  защита, высокочастотная защита.

Защита от однофазных замыканий на землю

а) Защита от однофазных коротких замыканий в сети с заземленными нулевыми точками трансформаторов

 В сети с заземленными  нулевыми точками трансформаторов  составляющие нулевой последовательности  тока однофазного к. з. на  землю замыкаются через заземленные  нулевые точки всех этих трансформаторов  (рис. 8-27).

   Поэтому в ряде случаев даже в радиальной сети с односторонним питанием максимальные токовые защиты от однофазных к. з. не обеспечивают селективности. Так, например, при к. з. на линии Л2 в точке К (рис. 8-28) ток нулевой последовательности проходит не только по поврежденной линии, но и по неповрежденной линии Л2 так как ток нулевой последовательности замыкается через все заземленные нулевые точки трансформаторов, в том числе и через заземленную точку трансформатора подстанции II. Эта особенность требует обеспечения селективности между максимальными токовыми защитами 1 и 2 от однофазных к. з.

 Достигнуть селективности  выбором выдержки времени не  представляется возможным. Так,  при к. з. на линии Л2 защита 1 должна иметь выдержку времени  на ступень селективности больше  защиты 2, а при к. з. на линии  Л1 наоборот, большую выдержку  времени должна иметь защита 2. В отдельных случаях селективность  между защитами 1 и 2 может быть  достигнута выбором тока срабатывания  защит так, чтобы они не работали  от тока нулевой последовательности, идущего к шинам, но обеспечивали  необходимую чувствительность при  к. з. на всем протяжении  защищаемой линии от тока нулевой  последовательности, идущего от  шин.

 Максимальная токовая  защита от однофазных к. з.  в большинстве случаев состоит  из двух или трех ступеней (рис. 8-29). Первой ступенью является  обычно мгновенная отсечка, защищающая  часть линии. Ток срабатывания  отсечки определяется по формуле с учетом особенностей прохождения токов при однофазных к. з. Второй ступенью является максимальная токовая защита с ограниченной зоной действия, ток срабатывания которой должен удовлетворять двум условиям. Первым условием является согласование по чувствительности с током срабатывания первой ступени защиты второго участка по следующему выражению:

 где  — ток срабатывания первой ступени защиты второго участка; k_u— коэффициент надежности отстройки, принимаемый равным 1,1—1,2;    k_p — коэффициент распределения, представляющий собой отношение тока, проходящего в защите первого участка, к току, проходящему в защите второго участка при к. з. на втором участке.

Третьей ступенью является максимальная токовая защита с током  срабатывания, отстроенным от тока небаланса по формуле и выдержкой  времени, выбранной по условию селективности  с третьей или второй ступенью защиты второго участка.

В большинстве случаев  селективность обеспечивается применением  направленной защиты нулевой последовательности, действующей только при к. з. на защищаемой линии и на линиях, отходящих от шин противоположной подстанции. На рис. 8-30 приведена принципиальная схема направленной защиты нулевой последовательности, которая состоит из пускового токового реле Т, реле направления мощности М, реле времени В и указательного реле У. Реле Т и токовая обмотка реле М включены на трансформаторы тока, соединенные по схеме фильтра нулевой последовательности, а обмотка напряжения реле М — на обмотку трансформатора напряжения, соединенную по схеме фильтра напряжения нулевой последовательности. Реле направления мощности типа РБМ-178 включается так, чтобы его зона работы соответствовала направлению мощности нулевой последовательности от шин в линию.

 В большинстве случаев  направленная защита нулевой  последовательности выполняется  с несколькими ступенями, имеющими  разные токи срабатывания и  выдержки времени, но общий  орган направления мощности (рис. 8-31). Первой ступенью  обычно является направленная отсечка мгновенного действия. Ток срабатывания отсечки определяется по формуле, но в отличие от токовой отсечки отстройка производится только от тока нулевой последовательности, направленного от шин подстанции. Второй ступенью является направленная защита ограниченной чувствительности, ток срабатывания которой выбирается по формуле (8-40). Третьей ступенью является чувствительная направленная защита с током срабатывания, отстроенным от тока небаланса трансформаторов тока. Выдержка времени определяется по условию селективности.

 б) Защита  от замыканий на землю в  сети с изолированными нулевыми  точками трансформаторов и генераторов

C изолированными нулевыми точками трансформаторов и генераторов или с заземленными через компенсирующие катушки работают сети напряжением 35 кВ и ниже.

Величина тока однофазного  замыкания на землю зависит от напряжения сети и величины ее емкости  относительно земли. Чем выше напряжение сети или чем больше емкость, тем больше ток замыкания на землю.

 Емкость сети зависит  от ее протяженности и типа  сети; при одинаковой протяженности  кабельные сети имеют емкость  значительно большую, чем воздушные.  Так, например, ток замыкания на  землю на каждые 100 км сети напряжением  6 кВ примерно составляет 1,5 А для воздушных и 80 А для кабельных линий (при сечении кабелей 95 мм2).

 Для уменьшения тока  замыкания на землю применяются  компенсирующие катушки, через  которые заземляются нулевые  точки трансформаторов и генераторов.  Компенсирующие катушки создают  индуктивный ток, имеющий противоположное  направление по отношению к  емкостному току сети, и тем  самым в зависимости от настройки  либо компенсируют емкостный  ток полностью, либо значительно уменьшают его.

 Таким образом, поскольку  междуфазные напряжения при замыкании  на землю остаются неизменными  и ток замыкания на землю  имеет небольшую величину, однофазные  замыкания на землю в сети  с изолированными нулевыми точками  трансформаторов и генераторов  непосредственной опасности для  потребителей не представляют  и на их работе не отражаются. Поэтому быстрого отключения, как  правило, не требуется. Исключение  составляют сети, питающие торфоразработки  и передвижные механизмы, когда  быстрое отключение требуется  по условию техники безопасности.

 Однако повышение фазных  напряжений неповрежденных фаз  в 1,73 раза может вызвать перекрытие  или пробой изоляции на второй  фазе, что приведет к образованию  двойного замыкания на землю, т. е. к двухфазному к. з.

 Длительное прохождение  тока однофазного замыкания на  землю в месте замыкания также  может привести к повреждению  изоляции и возникновению междуфазного  к. з. Поэтому чрезмерно длительная  работа сети с однофазным замыканием  на землю недопустима, и поврежденный  участок должен быть выявлен  и отключен. (Правилами технической  эксплуатации электрических станций  и сетей допускается работа  с замыканием на землю в течение до 2 ч.)

 Отыскание места замыкания  на землю производится с помощью  общих или индивидуальных устройств  сигнализации. Общая сигнализация  при замыканиях на землю . выполняется одним из способов, показанных на рис. 8-32.

 Наиболее простым способом  является включение трех вольтметров  V на фазные напряжения (рис. 8-32, а). Такие устройства, называемые контролем  изоляции, имеются на каждой электростанции  и подстанции. Нормально вольтметры  показывают равные по величине  фазные напряжения. При глухом (металлическом)  замыкании на землю одной из  фаз напряжения этой фазы относительно  земли станет равным нулю, а  напряжения двух других фаз  возрастут и станут равными  междуфазному. Соответственно этому  изменятся показания вольтметров.  Если замыкание на землю будет  не глухим, а через переходное  сопротивление, то напряжение  поврежденной фазы понизится,  а неповрежденных фаз повысится  в меньшей степени, чем в  первом случае, что также отразится  на показаниях вольтметров. Таким  образом, изменение показаний  вольтметров сигнализирует о  возникновении замыкания на землю и указывает поврежденную фазу.

 Иногда для получения  звукового сигнала в провод, соединяющий  нулевую точку вольтметров с  нулевым проводом от трансформатора  напряжения, включается указательное  реле У. Нормально, когда сумма  фазных напряжений равна нулю, реле не работает. При замыканиях  на землю напряжение нулевой  точки вольтметров становится  равным сумме фазных напряжений  неповрежденных фаз. Под влиянием  этого напряжения реле У срабатывает и подает сигнал.

 Устройство, приведенное  на схеме рис. 8-32, б, где нулевая  точка создается искусственно  включением на фазные напряжения  трех конденсаторов, дает общий  сигнал, не указывая поврежденной фазы.

 Устройство по схеме  рис. 8-32, в состоит из трех реле  минимального напряжения Н. При  замыкании на землю реле, включенное  на напряжение поврежденной фазы, срабатывает и дает сигнал. Поврежденная  фаза определяется по выпавшим  флажкам указательных реле У.

 Устройство по схеме  рис. 8-32, г состоит из реле напряжения H, включенного на специальную  обмотку трансформатора напряжения, соединенную по схеме фильтра  напряжения нулевой последовательности. При возникновении замыкания на землю на специальной обмотке появляется напряжение, реле Н срабатывает и подает общий сигнал. По получении общего сигнала отыскание поврежденной линии производится поочередным кратковременным отключением и обратным включением линий, питающихся от шин подстанции. Поврежденная линия определяется по исчезновению сигнала «земля» в момент отключения линии. Такой примитивный способ применяется в основном на небольших подстанциях и при неразветвленной сети.

 На электростанциях  и подстанциях с большим количеством  линий и при разветвленной  сети такой способ не обеспечивает  достаточно быстрого отыскания  поврежденной линии. Поэтому кроме  контроля изоляции устанавливается  на каждой линии индивидуальная  селективная сигнализация однофазных  замыканий. Сигнализация может  выполняться по схемам на рис. 7-27, 7-28, но с действием на сигнал, а не на отключение.

Ток срабатывания реле индивидуальной сигнализации должен удовлетворять  условиям селективности и чувствительности. Условие селективности состоит  в том, что сигнализация не должна работать от тока небаланса при максимальном токе нагрузке линии Iнб.макс, а также емкостного тока линии при замыкании на землю на другой линии. Последнее поясняется на рис. 8-33, где показана сеть, состоящая из трех линий.

 Если однофазное замыкание  на землю произошло на линии  Л3, то по линиям Л1 и Л2  в направлении к шинам подстанции  через их емкости будут проходить  токи Iз1 и Iз2. Если ток срабатывания  устройств сигнализации, установленных  на линиях Л1 и Л2, не отстроить  от этих токов, то при замыкании  на землю на линии Л3 сработают  устройства сигнализации на всех  трех линиях и определить поврежденную  линию будет невозможно.

 Выполнение второго  требования, т. е. отстройка от  собственного емкостного тока, всегда  обеспечивает выполнение и первого  — отстройку от тока небаланса.  Поэтому ток срабатывания определяется  по формуле

где I_Ссоб-собственный емкостный ток линии при однофазном замыкании на землю на другой линии;k_п-коэффициент отстройки,принимаемый равным 4-5

 Такая большая величина  коэффициента  вынужденно принимается  из-за того, что в сети с изолированными  нулевыми точками величина емкостного  тока замыкания при перемежающихся  замыканиях на землю в 3—4  раза превышает величину тока  при устойчивом металлическом  замыкании.

 Условие чувствительности  состоит в том, что сигнализация  при металлическом замыкании  на землю должна действовать  с коэффициентом чувствительности  для кабельных линий k_ч=1,25 и k_ч=1,5 для воздушных линий.

 Выполнение чувствительной  селективной сигнализации с использованием  обычных трансформаторов тока  и электромеханических реле вызывает ряд серьезных трудностей.

1. Номинальный ток обычных  трансформаторов тока выбирается  по току нагрузки линии, и  поэтому они имеют сравнительно  большие коэффициенты трансформации.  Вследствие этого вторичный ток  замыкания на землю имеет очень  малую величину. Так, например, если  ток замыкания на землю составляет 18 А, а трансформаторы тока  имеют коэффициент трансформации  600/5, то вторичный ток равен 0,15 А.

2. Для включения на  такой ток необходимо выбрать  самое чувствительное токовое  реле ЭТ-521/0,2 или РТ-40/0,2, которое  имеет сопротивление обмоток  соответственно 40 и 80 Ом. Включение  реле с такими большими сопротивлениями  приводит к тому, что только  часть тока попадает в реле, а другая часть, называемая  током отсоса, бесполезно замыкается  через вторичные обмотки трансформаторов  тока неповрежденных фаз. Величина  тока отсоса может достигать 40—50 %.

 Из-за указанных причин  сигнализация при замыканиях  на землю с использованием  обычных трансформаторов тока  может выполняться только в  разветвленных некомпенсированных  сетях, когда ток замыкания  на землю имеет большую величину.

 Значительно большую  чувствительность обеспечивает  сигнализация при однофазных  замыканиях на землю, выполняемая  на специальных кабельных трансформаторах  тока с кольцевым сердечником.

 Кабельные трансформаторы  тока имеют следующие преимущества  по сравнению со схемой соединения  обычных трансформаторов тока  на сумму токов трех фаз  (по схеме фильтра нулевой последовательности). Коэффициент трансформации не  зависит от тока нагрузки линни. Поэтому число витков его обмотки выбирается из условия получения наибольшей чувствительности. Отсутствует явление отсоса тока в трансформаторы тока неповрежденных фаз. Ток небаланса зависит только от расположения сердечника относительно фаз кабеля и при симметричном расположении близок к нулю. Поэтому применение кабельных трансформаторов тока с кольцевым сердечником устраняет указанные выше затруднения и дает возможность выполнить чувствительную и селективную сигнализацию.

 Принцип действия токовой  сигнализации показан на рис. 8-34, а. Ток срабатывания такой  сигнализации должен определяться  по формуле (8-41), поэтому устройство  сигнализации имеет значительный  ток срабатывания и обеспечивает  необходимую чувствительность только  при больших токах замыкания на землю.

 Лучшие результаты  обеспечивает направленная сигнализация, принцип действия которой показан  на рис. 8-34, б. Реле мощности  подключается к кабельному трансформатору  тока и к обмотке трансформатора  напряжения, соединенной по схеме  разомкнутого треугольника. При  этом включение производится  так, чтобы реле действовало  на замыкание контактов, когда  ток замыкания на землю проходит  в направлении от шин подстанции  в линию, что имеет место  только на поврежденной линии.  На неповрежденных линиях ток  замыкания на землю направлен  к шинам подстанции, поэтому сигнализация  на неповрежденных линиях работать  не будет.

 Благодаря направленности  действия сигнализация этого  типа не требует отстройки  от собственного емкостного тока  линий и поэтому, как правило,  обеспечивает необходимую чувствительность.

 В схемах направленной  сигнализации от замыканий на  землю используются специальные  реле мощности, выполненные нафазочувствительныхсхемах и на полупроводниках, которые имеют значительно меньшее потребление, чем индукционные реле мощности. Примером может служить разработанное ВНИИЭ и выпускаемое промышленностью устройство направленной сигнализации типа ЗЗП1, которое может применяться в сетях с суммарным емкостным током замыкания на землю от 0,2 до 20 А.

 Направленная сигнализация  может применяться в некомпенсированных  или не полностью компенсированных сетях.

 В перекомпенсированных сетях направленная сигнализация применяться не может, так как ток замыкания на землю в таких сетях имеет одинаковое направление в поврежденной и неповрежденных линиях.

 Для выполнения селективной  сигнализации в компенсированных  сетях разработано ВНИИЭ и  выпускается промышленностью устройство  типа УСЗ2/2. Это устройство реагирует  на высшие гармоники, которые  содержат ток замыкания на  землю и величина которых в  токе поврежденной линии всегда  больше, чем в неповрежденных  линиях.

Максимальная  токовая защита

Одним из наиболее характерных  и четких признаков возникновения  коротких замыканий, а также большинства  других нарушений нормального режима работы является резкое увеличение тока, который в этих аварийных условиях становится значительно больше тока.

 Ток, возникающий в  аварийных условиях, в отличие  от тока нормального режима  принято называть с в е р  хто-к о м. Таким образом, появление сверхтока является признаком возникновения аварии. На использовании этого признака основан принцип действия максимальной токовой защиты.

Наиболее распространенные схемы максимальной токовой защиты для защиты сетей с изолированной  нейтралью приведены на рис. 7-13—7-17. Особенностью этих сетей является отсутствие однофазных к. з., что дает возможность применять для защиты от междуфазных к. з. двухфазные схемы максимальной токовой защиты.

 Эти же схемы могут  применяться и для защиты сетей  с заземленной нейтралью, если для защиты от однофазных к. з. применяется дополнительная максимальная токовая защита, включенная на ток нулевой последовательности.

 Для расширения зоны действия максимальной токовой защиты ее токовые реле включаются на трансформаторы тока, установленные ближе к шинам. Если выключатель имеет встроенные трансформаторы тока, то защита включается на трансформаторы тока, встроенные в вводы выключателя со стороны шин.

 На рис. 7-13 приведены  схемы максимальной токовой защиты, выполненной с помощью реле  прямого действия типа РТВ,  которые встраиваются непосредственно  в приводы выключателя. Защита  такого типа широко используется в сетях напряжением до 35 кВ включительно на выключателях, оборудованных ручными, грузовыми и пружинными автоматическими приводами (ПРБА, ПГ-10, УПГП, ПГМ-10, ППМ-10, ПП-61, ПП-67, ППК-63, КППМ) с встроенными реле.

 На рис. 7-14 приведена  схема максимальной токовой защиты  с независимой характеристикой  времени срабатывания на оперативном  постоянном токе. Схема включает  в себя два пусковых токовых  реле мгновенного действия 1T, 2T типа  ЭТ-521 или РТ-40, одно реле времени  В типа ЭВ-121 или ЭВ-131 и одно  указательное реле У типа РУ-21. Контакты токовых реле соединены  параллельно, поэтому при срабатывании  любого из них или обоих  одновременно подается плюс оперативного  тока на обмотку реле времени.

 К второму выводу  обмотки реле времени постоянно  подведен минус оперативного  тока, поэтому при срабатывании  токовых реле происходит пуск  реле времени. Реле времени,  сработав с установленной выдержкой  времени, подает своим контактом  плюс оперативного тока на  отключающую катушку КО привода  выключателя через указательное  реле У и блокировочный контакт  БК, связанный с приводом. Указательное  реле фиксирует срабатывание  защиты и прохождение тока  через КО, что необходимо для  выяснения причин отключения  выключателя.

 Срабатывание указательного реле при прохождении тока по его обмотке сопровождается выпадением сигнального флажка, который не имеет самовозврата и остается в таком положении, пока не будет возвращен в исходное положение обслуживающим персоналом.

 Блокировочный контакт  БК, замыкающийся при включении  и размыкающийся при отключении  выключателя, имеет двойное назначение, вытекающее из следующего.

 При отключении выключателя  прекращается прохождение тока  к. з., вследствие чего происходит  возврат в исходное положение  вначале токовых реле, а затем  реле времени. Так как контакты  реле времени не рассчитаны  на размыкание цепи катушек  отключения, которые имеют большое  потребление (2,5—10 А), то размыкание  этой цепи производится блокировочным  контактом до того, как начнут  размыкаться контакты реле времени,  что достигается специальной  регулировкой блокировочного контакта. Таким образом, первым назначением блокировочного контакта является предотвращение повреждения контактов реле времени при возврате защиты после отключения выключателя.

 Если после отключения  выключателя контакты реле времени  останутся в замкнутом состоянии  (например, из-за неисправности реле), то отключающая катушка будет  длительно обтекаться током и  повредится, так как она рассчитана  только на кратковременное прохождение  тока. Блокировочный контакт, размыкая  цепь отключения, защищает отключающую  катушку от повреждения, что  и является его вторым назначением.

Рассмотренная схема максимальной токовой защиты широко используется для защиты линий и трансформаторов  в сетях 3—35 кВ.

На рис. 7-16 и 7-17 приведены  двухфазные схемы максимальной токовой  защиты с зависимой характеристикой  времени срабатывания. В схеме  на рис. 7-16 на оперативном постоянном токе используются реле типа РТ-81 или  РТ-82, а в схеме на рис. 7-17 на оперативном  переменном токе — реле типа РТ-85 или  РТ-86 с мощными переключающими контактами для дешунтирования отключающих катушек.

 Рассмотренные схемы  максимальной токовой защиты  с зависимой характеристикой  времени срабатывания используются  для защиты сетей 3—10 кВ и электродвигателей.

Литература:

1. Релейная защита электроэнергетических систем. Гриф УМО ВУЗов России, 2006 г, Басс Э.И., Дорогунцев В.Г., Дьякова А.Ф.
2. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. Гриф МО РФ, 2008 г., Андреев В.А.
3. М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А. Семенов. Основы техники релейной защиты. Москва 1986г.