1Общие вопросы релейной защиты

• Название: 1Общие вопросы релейной защиты
• Анкор: releinaya_zashita.docx
• Дата: 23.03.2018
• Размер: 1.27 Mb.
• Имя файла: releinaya_zashita.docx
• Тип: Документы; #17077
• страница: 1 из 19

       1Общие вопросы релейной защиты

При эксплуатации электрооборудования повреждения, возникающие вследствие пробоя изоляции, обрывов проводов, ошибочных действий персонала и других причин, приводят к коротким замыканиям (КЗ), сопровождающимся понижением напряжения и высокотемпературной дугой. Дежурный персонал не в состоянии с требуемое малое время отметить возникновение КЗ, выявить поврежденный элемент и дать сигнал на отключение его выключателей. В тоже время быстрое отключение поврежденного элемента позволяет существенно сократить размеры повреждений, а иногда  и предотвратить их. Поэтому электроустановки снабжаются автоматически действующими устройствами – релейной защитой или предохранителями (последние преимущественно в системах с напряжением менее 1 кВ), осуществляющими защиту от повреждений и некоторых ненормальных режимов работы.

Таким образом, основным назначением релейной защиты является выявление места  возникновения КЗ и быстрое отключение поврежденного участка сети.

Кроме повреждений возможны такие нарушения нормальных режимов работы, как перегрузка, замыкание на землю в сетях с незаземленной нейтралью и другие, которые не представляют непосредственной опасности для оборудования.

Вторым назначением релейной защиты является выявление нарушений нормальных режимов работы оборудования и подача предупредительных сигналов.

На подстанциях без обслуживающего персонала в таких режимах релейная защита производит отключение оборудования с выдержкой времени, так как нарушения нормальных режимов работы зачастую бывают кратковременными и могут самоустраняться.

 

1.1Реле и их классификация

 

В технике релейной защиты под термином «реле» в соответствии с ГОСТ понимают автоматически действующий аппарат, предназначенный при заданном значении воздействующей величины производить скачкообразное изменение в цепях управления.

При определенном значении величины ХХ_С.Р., изменяет свое значение выходной сигнал Y, при возврате реле (ХХ_С.Р.) сигнал Y принимает первоначальное значение (Рис. 1). Наиболее распространены электрические реле.

В соответствии с ГОСТ электрические реле имеют пять основных функциональных частей: воспринимающую (1); преобразующую (2); сравнивающую (3); исполнительную (4); замедляющую (5) (Рис. 2).

 

               

                                         Рис. 1. Иллюстрация работы реле

 

                   

                                                  Рис. 2 . Функциональные части реле

 

В реле, реагирующих более чем на одну величину, может иметься несколько однотипных частей:

–         в воспринимающей части воздействующие величины преобразуются в непрерывные, удобные для дальнейшего использования;

–         в преобразующей род тока, характер изменения во времени или вид энергии преобразуются в удобный для сравнения сигнал;

–         в сравнивающей производится сравнение преобразованных величин и обеспечивается дискретная величина на выходе;

–         в исполнительной усиливаются дискретные сигналы и она обеспечивает скачкообразное изменение состояния управляемых электрических цепей;

–         в замедляющей обеспечивается требуемая выдержка времени.

Могут быть дополнительные функциональные части, например, задающие (6), в которых производятся определенные настройки.

Классификация реле.

1)     В зависимости от величины, на которую реагирует реле различают:

a)     электрические реле – реагируют на электрические величины;

б) механические реле – реагируют на механические величины: давление, уровень газа;

в) тепловые реле – реагируют на изменение температуры или количество тепла.

2)     В зависимости от действия реле на повышение или понижение контролируемой величины различают реле максимального и минимального действия.

a)     Реле максимального действия срабатывает и замыкает контакты при повышении измеряемой величины выше допустимого значения. При уменьшении возвращаются в исходное положение.

б) Реле минимального действия срабатывает при понижении электрической величины ниже допустимого значения. При увеличении измеряемой величины возвращается в исходное состояние.

Отношение входной и выходной величины называется коэффициентом возврата:

                                ,

где - параметр возврата реле,  - параметр срабатывания реле.

У реле минимального действия >1, у реле максимального действия <1.

3)     По назначению:

a)     реле измерительные – реле тока, напряжения;

б) реле логических операций;

в) исполнительные реле.

4)     По принципу действия:

a)     статические(отсутствуют подвижные части);

б) электромеханические(индукционные, магнитоэлектрические, электромагнитные).

5)     Электромеханические реле классифицируют:

a)     по способу включения воспринимающего органа: на первичные и вторичные (рис. 3).

Первичные реле непосредственно включаются в цепь.

Достоинства: экономичность, не требуют дополнительных затрат на трансформаторы тока и напряжения, контрольные кабели.

Недостатки: связаны с высоким напряжением, что увеличивает затраты на изоляцию и повышает сложность обслуживания. Для наладки нужен дополнительный источник тока.

Вторичные реле включаются через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Достоинства: изолированы от высокого напряжения, могут выполняться на стандартные токи и напряжения.

 



Рис. 3

 

Первичные реле применяются на электродвигателях и мелких трансформаторах в сетях 6-10 кВ, где защита выполняется по простейшим схемам и не требует большой точности. Во всех остальных случаях применяются вторичные реле.

б) по способу воздействия на коммутационное устройство различают реле прямого и косвенного действия.

Реле прямого действия не имеет контактной системы и непосредственно действует на расцепитель выключателя.

Реле косвенного действия имеет контактную систему, управляющую цепью оперативного тока. На расцепитель действует соленоид отключения.

Достоинства реле прямого действия: простота, экономичность.

Недостатки реле прямого действия: большая потребляемая мощность, низкий коэффициент возврата, трудная регулировка параметра срабатывания.

Перечисленные недостатки отсутствуют у реле косвенного действия. Однако конструкция его сложнее, возникает необходимость в дополнительном источнике тока, снижается экономичность.

 

1.2Основные требования к релейной защите

 

1)     Быстродействие.

Быстрое отключение релейной защиты уменьшает размеры повреждений, сохраняет нормальную работу потребителей неповрежденной части установки, предотвращает нарушение параллельной работы генераторов.

Современные устройства  релейной  защиты имеют время действия 0,020,1 с.

2)     Селективность.

Селективностью называют способность релейной защиты отключать только поврежденные элементы.

Требование селективности не должно исключать возможность действия других защит как резервных в случае отказа защит или выключателей смежных элементов.

Защиты, могущие по принципу действия работать в качестве резервных при КЗ на смежных участках называют защитами с абсолютной селективностью.

Защиты с абсолютной селективностью работают только при КЗ на защищаемом элементе.

3)     Чувствительность.

Защита должна обладать чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима, на которые она рассчитана, чтобы было обеспечено ее действие в начале возникновения повреждения.

Чувствительность защиты должна так же, как правило, обеспечивать ее действие на смежных участках. Такое действие защиты называется дальним резервированием смежного или следующего участка.

Чувствительность защит в большинстве случаев оценивается коэффициентом чувствительности. Это отношение минимального значения тока при металлическом КЗ в защищаемой зоне к установленному на защите параметру срабатывания.

4)     Надежность.

Защита должна безотказно действовать лишь в режимах, для которых она предназначена (надежность срабатывания) и не действовать в тех случаях, когда должна сработать другая защита (надежность несрабатывания).

1.3Виды повреждений и ненормальных режимов работы сетей

 

Повреждения в электрической системе чаще всего возникают на линиях сетей. Повреждения в обмотках электрических машин, и особенно таких аппаратов, как трансформаторы и автотрансформаторы, бывают реже, иногда имеют специфический характер, обусловленный их выполнением (межвитковые КЗ) и могут привести к тяжелым последствиям.

При многофазных КЗ в поврежденных линиях протекают большие токи, которые должны отключаться релейной защитой.

Однофазные КЗ представляют для системы в целом также тяжелый вид повреждения, хотя и не такой опасный с точки зрения устойчивости и сохранения нагрузки, чем многофазные КЗ. Поэтому установка достаточно быстродействующей защиты от этого вида повреждения является также необходимой. Защита может действовать на отключение трех фаз или только одной поврежденной с последующим ее автоматическим повторным включением.

Однофазные КЗ характеризуются появлением симметричных составляющих всех последовательностей. Особенно эффективным оказывается использование для защиты от коротких замыканий на землю слагающих нулевой последовательности (независимость от рабочих токов, напряжений и т. п.)




При однофазном замыкании на землю в сетях с малым током замыкания на землю искажаются только фазные напряжения. Треугольник междуфазных напряжений остается неизменным. Поэтому к фазам нагрузки продолжают подводиться нормальные напряжения и бесперебойная работа потребителей не нарушается. Токи в месте пробоя имеют небольшие значения и быстро произвести большие нарушения не могут.

Таким образом, однофазные замыкания при правильно поддерживаемом режиме заземления нейтрали непосредственной опасности для потребителей и сети в целом не представляют. Поэтому защиту от замыкания на землю в рассматриваемых сетях выполняют обычно действующей только на сигнал. В наиболее простом виде – это устройства контроля изоляции, устанавливаемые на шинах питающих установок (например, на шинах низшего напряжения 6-10 кВ понизительных подстанций).

Режим не является опасным видом повреждения и допускается работа в течении двух часов.

В сетях с изолированной нейтралью опасным видом повреждения является двойное замыкание на землю. Требует немедленного отключения. Целесообразно автоматически отключать только одно место пробоя. При этом предполагается, что пробой во втором месте может самоликвидироваться или будет устранен обслуживающим персоналом.

Отключение одного места повреждения повышает надежность электроснабжения потребителей. Обеспечение отключения по возможности одного места повреждения (примерно в 2/3 случаев) осуществляется посредством двухфазного (а не трехфазного) исполнения защит.

Двойные замыкания на землю возникают обычно в местах с ослабленной изоляцией, в основном вследствие перенапряжений, появляющихся в системе при однофазных замыканиях на землю.

При отказе в работе части фаз автоматических выключателей (характерно для воздушных выключателей с пофазным приводом) может возникнуть разрыв фазы.

Разрыв фазы линии в отличие от КЗ непосредственной опасности для системы может не представлять и не требовать немедленной ликвидации, однако появляющиеся при этом составляющие токов и напряжений обратной и нулевой последовательности могут обусловить ряд нежелательных последствий. Поэтому разрыв фазы в ряде случаев было бы желательно автоматически селективно ликвидировать (так часто и удается делать, если разрыв сочетается с КЗ на том же участке).

Некоторые типы защит обратной и нулевой последовательности воспринимают появление несимметрии от разрыва подобно КЗ на том же участке и вне его. Если их срабатывание недопустимо, должны приниматься соответствующие меры.

Ненормальные режимы

1)       Перегрузки или КЗ, возникающие где-либо на других элементах системы, обуславливающие сверхтоки (то есть токи превышающие номинальные для данной линии).

Приводят к нагреву машин и аппаратов, оказывают термическое воздействие и ускоренный износ проводов. От сверхтоков, вызванных внешними КЗ, обычно используется защита, действующая как резервная в случаях отказа защит или выключателей поврежденного элемента. При сверхтоках перегрузки немедленного отключения не требуется. Необходима сигнализация.

2) Колебания напряжения и токов при качаниях и нарушениях синхронизма. Повышения или понижения напряжения.

Наиболее часто интенсивные качания возникают вследствие недостаточно быстрого отключения КЗ в системе. В наиболее тяжелых случаях возможно возникновение кратковременного или затяжного нарушения синхронизма.

Опасный режимы, контролируются устройствами автоматики.

3) Понижение частоты.

Опасный режим, контролируется устройством автоматики – автоматической частотной разгрузкой.

 

1.4Оперативного ток и его источники

 

Оперативным называется ток, при помощи которого производится управление первичной коммутационной аппаратурой (выключателями, отделителями и т. д.), а также питание цепей релейной защиты и автоматики, разных видов управления и сигнализации. Основное требование – источники оперативного тока должны быть всегда готовы к действию во всех необходимых случаях (независимость от режима работы сети).

Используют два вида оперативного тока – постоянный и переменный.

1) Оперативный постоянный ток.

Источниками постоянного тока являются аккумуляторные батареи, работающие в режиме постоянного подзаряда. Рабочее напряжение батарей

110–220 В. В качестве подзарядного устройства используется мощный тиристорный преобразователь, снабженный элементным коммутатором, с помощью которого можно изменять число участвующих в химической реакции пластин. Для повышения надежности сеть оперативного тока секционируют на ряд участков, имеющих самостоятельное питание от сборных шин батареи.

Основное достоинство - простой источник тока, работа которого не зависит от состояния основной системы.

Недостатки постоянного оперативного тока:

 - сложность выполнения защиты от повреждений в цепях постоянного тока;

 - требуют специального помещения;

 - требуют квалифицированного обслуживания;

 - дорогие (большой расход цветных металлов).

Оперативный постоянный ток в первую очередь используется в электроустановках, где батареи требуются для включения мощных выключателей с электромагнитными приводами и ряда других нужд (например, на ТЭС, мощных ГЭС и подстанциях).

2) Оперативный переменный ток.

Источниками оперативного переменного тока могут быть трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд, включаемые соответственно на токи и напряжения элементов защищаемой установки.

Трансформаторы тока могут являться надежными источниками питания защит только от повреждений, сопровождающихся значительными токами, когда они в состоянии отдавать мощность, достаточную кроме всего для работы привода выключателя (при однофазных замыканиях на землю не подходят).

Трансформаторы собственных нужд и трансформаторы напряжения в общем случае, наоборот, непригодны для питания защит от КЗ, сопровождающихся снижением напряжения до нуля, и могут применяться для управления в режимах, характеризуемых напряжениями близкими к рабочим (например, однофазное замыкание на землю).

Таким образом, перечисленные источники питания не являются универсальными (как аккумуляторные батареи), а имеют ограниченные области применения. Поэтому часто используются несколько раздельных источников переменного оперативного тока или комбинированные устройства.

Схемы с использованием переменного оперативного тока:

1) Схемы с дешунтированием катушки отключения привода выключателя.

Однолинейный вид совмещенной схемы токовой защиты с реле тока КАТ с выдержкой времени с имеющим специальный переключающий контакт без разрыва цепи представлена на рис. 4.

В рабочих режимах процессе срабатывания реле тока КАТ размыкающей частью своего контакта, имеющей большую отключающую способность (с дугогасящим устройством), шунтирует цепь катушки электромагнита отключения выключателя YAT (нормально разорвана замыкающей частью контакта). Нагрузка трансформатора тока ТА определяется относительно небольшой мощностью цепи обмотки реле тока, и трансформатор работает с необходимой точностью (10%). После срабатывания защиты электромагнит выключателя включается последовательно с обмоткой реле и через нее проходит полный вторичный ток трансформатора тока, определяющий отключение выключателя. При этом трансформатор тока сильно перегружается (>10%), но для срабатывания защиты это уже несущественно.

Главное, чтобы ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока был больше или равен току срабатывания катушки электромагнита отключения выключателя и был не меньше тока возврата реле тока.

Достоинствами схем с дешунтированием катушки отключения привода выключателя являются простота и экономичность. А недостатками являются: зависимость от режима работы сети; оборудование на переменном токе имеет большие габариты; вибрация контактов.

Рис. 4. Схема с дешунтированием катушки отключения выключателя

    Рассмотренные схемы могут применяться в сетях с номинальным напряжением до 35 кВ при пружинных приводах у выключателей (преимущественно на тупиковых подстанциях, где ток дешунтирования не превышает 50 А). Современные специальные реле тока и промежуточные реле имеют контакты, способные отключить ток до 150 А.

 

 

      2)     Схемы с блоками питания выпрямленным током, напряжением.

Под блоками питания понимаются устройства, питаемые от трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и трансформаторов собственных нужд, выпрямляющие ток, напряжение и обеспечивающие напряжение, используемое для оперативных цепей.

Блоки делятся на токовые (БПТ), напряжения (БПН) и комбинированные, состоящие из БПТ и БПН, работающих параллельно на стороне выпрямленного напряжения. На рис. 5 представлен пример схемы комбинированного блока питания оперативным выпрямленным током.

БПН обеспечивает питание при замыканиях между двумя фазами за силовым трансформатором с группой соединения обмоток Y/, /Y, а также при однофазном КЗ за трансформатором с группой соединения обмоток Y/Y-0 с нулевым проводом, когда разность токов с питающей стороны равна нулю, но междуфазное напряжение близко к рабочему.

 

                                

             Рис. 5. Схема комбинированного блока питания  выпрямленным током

 


Достоинства схем с блоками питания выпрямленным током и напряжением:    

- возможность индивидуального обеспечения питания оперативным током одного защищаемого присоединения (однако при значительном числе присоединений экономически целесообразным оказывается групповое питание);

 - возможность применения защитной аппаратуры, изготовляемой для установок с аккумуляторными батареями.

Недостатки схем с блоками питания выпрямленным напряжением и током:

 - недостаточная мощность для питания катушек включения электромагнитных приводов (обычно осуществляется от выпрямительных блоков, питаемых от трансформаторов собственных нужд подстанции);

 - невозможность использования для минимальных защит напряжения, а также при отключении подстанции с упрощенной схемой соединений со стороны высшего напряжения для управления отделителем в бестоковую паузу;

 - необходимость отдельных сердечников трансформаторов тока, когда требуется большая отдаваемая мощность.

Схемы с блоками питания выпрямленным током широко применяются на понижающих подстанциях с номинальным напряжением до 35 кВ, а также на подстанциях с номинальным напряжением 110–220 кВ с упрощенными схемами электрических соединений со стороны высшего напряжения (не имеется выключателей на этом напряжении).

Некоторые из недостатков могут быть устранены при одновременном использовании энергии предварительно заряженных конденсаторов.

3)     Схемы с предварительно заряженными конденсаторами (рис. 6).

Состоит из зарядного устройства, условно показанного на схеме промежуточным трансформатором TL, и блока конденсаторов С, заряжаемого через выпрямительVD. Для предотвращения разряда конденсаторов через обратное сопротивление выпрямителя блок конденсаторов автоматически отключается от зарядного устройства замыкающим контактом минимального реле напряжения KV при значительном понижении выходного напряжения зарядного устройства.

 Основным недостатком схем с предварительно заряженным конденсатором является импульсность действия, поэтому каждый элемент должен присоединяться к отдельному блоку конденсаторов.

Достоинствами схемы является возможность проведения оперативных операций на подстанции, потерявшей питание (например, отключение отделителей в бестоковую паузу) и возможность отключения выключателей с любыми тяжелыми приводами.

Основная область применения: питание цепей отключения выключателей и отделителей.

 

 
                                  

                Рис. 6. Схема с предварительно заряженным конденсатором

 

4)     Схемы с реле прямого действия.

Защиты с реле прямого действия также могут быть условно отнесены к работающим на оперативном переменном токе. Простота и автономность защит с реле прямого действия обуславливают продолжающееся их использование для осуществления защит, если их параметры и погрешности являются приемлемым (обмотки реле питаются непосредственно от трансформаторов тока и трансформаторов напряжения, а исполнительные органы действуют непосредственно на отключение выключателей).

 

 

1.5 Первичные измерительные преобразователи в релейнойзащите и их схемы соединения с нагрузкой

 

Наиболее распространенными измерительными преобразователями являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения. Кроме того, используют трансреакторы, трансформирующие первичный ток в пропорциональную  ему  вторичную ЭДС. В отличие от трансформаторов тока трансреакторы имеют сердечник с  немагнитным зазором. Режим работы их близок к режиму холостого  хода.

Измерительные преобразователи выполняют две основные функции:

 - осуществляют гальваническую развязку вторичных цепей  от цепей высокого напряжения. Это облегчает обслуживание и повышает  безопасность;

 - обеспечивают во вторичной цепи стандартные значения токов (1 и 5 А) и напряжений (100 и  В) при различных токах и напряжениях в первичной цепи.

1.5.1 Трансформаторы тока

 


По своему назначению трансформаторы тока делятся на предназначенные для  устройств измерений и для релейной защиты. К точности их работы, в зависимости от назначения, предъявляются различные требования. Основным режимом работы трансформатора тока, предназначенного для измерений, является нормальный рабочий. В пределах рабочих токов он должен обеспечить необходимую точность трансформации, в соответствии со своим классом точности. Работа трансформаторов тока в схемах многих типов релейных защит происходит в аварийных режимах, когда токи КЗ значительно превосходят нормальные рабочие. Поэтому допускается значительно большая погрешность - 10%.                       

У трансформаторов тока имеется три вида погрешностей: токовая, полная и угловая, значения которых тесно связаны друг с другом и зависят от степени насыщения магнитопровода трансформатора тока и  сопротивления нагрузки z_н.

Величина I, равная разности между  и I₂ (рис. 7) называется токовой погрешностью, обозначается буквой f, выражается чаще всего в процентах и вычисляется по формуле:

 

 

 

                                            .

Рис. 7

Угол  показывает на сколько действительный ток  сдвинут относительно «идеального» тока I₂, рассчитанного по формуле. Он определяет угловую погрешность трансформатора тока и указывается в градусах. Если f10%, то угловая погрешность не более 10 градусов. Однако при глубоком насыщении магнитопровода трансформатора тока в случаях близких к КЗ угловая                погрешность может достигнуть больших      значений и вызвать неправильное срабатывание направленных реле, поэтому в таких схемах не допускается работа с трансформаторами с >45⁰, что соответствует f>50%.

Геометрическая разность I – полная погрешность трансформатора тока:

.

 

Это выражение справедливо для синусоидального вторичного тока.

Согласно ПУЭ все трансформаторы тока, используемые в релейной защите должны обеспечивать:

- точную работу измерительных органов защиты в конкретных расчетных условиях, для чего полная погрешность трансформатора не должна превышать 10%;

- надежную (без вибрации) работу контактов измерительных органов защиты при максимальном токе КЗ, когда могут быть повышенные погрешности трансформатора тока и искажение формы кривой вторичного тока;

- отсутствие опасных перенапряжений во вторичных цепях трансформаторов тока при максимальном значении тока КЗ.

Все трансформаторы тока выбираются по номинальному току и напряжению, проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ. Кроме того, трансформаторы тока, используемые для включения релейной защиты,  проверяются на значение погрешности, которая не должна превышать 10 % по току и 7 % по углу. Последняя проверка может проводится по кривым зависимости предельной кратности от сопротивления нагрузки, подключенной к вторичной обмотке.

Предельной кратностью называется наибольшее отношение первичного тока, проходящего через трансформатор тока, к его номинальному току , при котором полная погрешность трансформатора тока при заданной вторичной нагрузке не превышает 10%. Кривые предельной кратности для большинства отечественных трансформаторов тока приведены в справочной литературе.

При проверке в начале определяется значение предельной кратности:

,

где - максимально возможный расчетный ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора тока;  - номинальный ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора тока.

Затем определяется нагрузка вторичной обмотки трансформатора:

,

            где - сопротивления соединительных кабелей, приборов, реле, контактов соответственно.

По кривой предельной кратности (рис. 8), соответствующей типу, классу вторичной обмотки и коэффициенту трансформации трансформатора тока, находится допустимое значение нагрузки .

Если  то погрешность трансформатора тока в любом режиме работы оборудования не превысит 10%.

При <  необходимо уменьшить вторичную нагрузку или заменить трансформатор.

   

                    

              Рис. 8. Определение допустимой нагрузки по кривой

                      предельной кратности

 

Увеличить допустимую нагрузку можно последовательным соединение вторичных обмоток одного и того же трансформатора.

 

1.5.2 Схемы соединения измерительных трансформаторов тока и

обмоток реле

 

В зависимости от назначения защиты и предъявляемых к ней требований применяются следующие схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле:

 - схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду;

 - схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду;

 - схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду;

 - однорелейная двухфазная схема соединения трансформаторов тока в неполный треугольник;

 - схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов нулевой последовательности.

Для каждой схемы соединений можно определить коэффициент схемы, который равен отношению тока в реле  к вторичному току в фазе :

.

 

Коэффициент схемы учитывается при расчете уставок и оценке чувствительности защиты.

 

1.5.2.1 Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду

 

Трансформаторы тока устанавливаются во всех фазах. Вторичные обмотки трансформаторов тока и обмотки реле соединяются в звезду и их нулевые точки связываются одним проводом, называемым нулевым. В нулевую точку объединяются одноименные зажимы обмоток трансформаторов тока. Схема соединения приведена на рис. 9.

 



Рис. 9. Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду

При нормальном режиме и трехфазном КЗ в реле КА1–КА3 проходят вторичные токи трансформаторов тока одноименных фаз, а в нулевом проводе их геометрическая сумма, которая при симметричных режимах равна нулю:

 ,

где  , , .

Коэффициент схемы .

При двухфазном КЗ, например фаз А и В, первичный ток КЗ проходит только в двух поврежденных фазах и соответственно в реле, подключенных к трансформаторам тока поврежденных фаз. Ток в неповрежденной фазе отсутствует.

При двухфазном КЗ на землю ток проходит в двух реле, включенных на поврежденные фазы (например, В и С). В нулевом проводе проходит геометрическая сумма этих токов, всегда отличная от нуля.

Коэффициент схемы .

При однофазном КЗ первичный ток  КЗ проходит только по одной поврежденной фазе. Соответствующий ему вторичный ток проходит также только через одно реле и замыкается по нулевому проводу.

Коэффициент схемы .

Особенности схемы

1. При всех видах КЗ токи повреждения проходят во всех или части реле КА1–КА3, поэтому защита реагирует на все виды КЗ, имея при этом равную чувствительность при одинаковых токах повреждения; токи в реле равны вторичным фазным токам, поэтому коэффициент схемы .

2. Ток в нулевом проводе равен сумме фазных токов , поэтому в нормальном режиме и при отсутствии замыканий на землю в нулевом проводе протекает только ток небаланса; возможный обрыв нулевого провода не может повлиять на работу схемы, однако при замыканиях на землю по нулевому проводу проходит ток повреждения – при обрыве нулевого провода ток поврежденной фазы может замыкаться только через вторичные обмотки трансформаторов тока неповрежденных фаз, которые представляют для него очень большое сопротивление, поэтому выполнение схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле в полную звезду без нулевого провода недопустимо.

3. При двойных замыканиях на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями, если точки замыкания расположены на разных линиях (рис. 10), могут подействовать на отключение защиты обеих линий (I и II) при равенстве выдержек времени, что нежелательно.

Схема применяется только в защитах, действующих при всех видах КЗ.

 

1.5.2.2 Схема соединения трансформаторов тока и обмоток реле в неполную звезду

 

Трансформаторы тока устанавливают в двух фазах (обычно А и С) и соединяют так же, как и в схеме звезды (рис. 11).

 

    

            Рис. 10. К анализу работы схемы при двойных замыканиях на землю

 

 

             

             Рис. 11. Схема соединения трансформаторов тока и

обмоток реле в неполную звезду

 

В реле КА1 и КА3 проходят токи соответствующих фаз, а в обратном проводе ток, равный их геометрической сумме:

.

Особенности схемы

1.   Схема реагирует на все виды КЗ, за исключением короткого замыкания на землю фазы, в которой трансформатор тока не установлен, поэтому схема применяется только для защит, действующих при многофазных повреждениях; в симметричных режимах в реле проходят вторичные фазные токи, поэтому для схемы неполной звезды коэффициент схемы .

2.   Ток в обратном проводе проходит не только при некоторых замыканиях на землю, но и при многофазных КЗ, а также при нормальном режиме, поэтому обратный провод необходим для правильной работы схемы, то есть выполнять схему без обратного провода недопустимо.

3.   В сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью при двойных замыканиях на землю, когда точки повреждения находятся на двух линиях, отходящих от общих шин, причем одна из точек расположена на фазе без трансформатора, действует на отключение только одна защита и отключается только одна линия; при установке трансформаторов тока в одноименных фазах на всех присоединенных данного напряжения в большинстве случаев (2/3) двойных замыканий на землю отключается только одно место повреждения.

4.   В сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью при двойных замыканиях на землю защита может действовать не селективно, если точки повреждения располагаются на смежных участках, причем на более удаленном участке повреждается фаза без трансформатора тока.

5.   Чувствительность защиты может оказаться в два раза меньшей по сравнению со схемой полной звезды при некоторых двухфазных КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/ и /Y.

Если чувствительность двухрелейной схемы неполной звезды недостаточна, то в обратный провод схемы дополнительно включается реле КА2, по обмотке которого, как и в обратном проводе, проходит сумма токов фаз А и С (трехрелейная схема неполной звезды). По чувствительности эта схема равноценна схеме полной звезды.

 

1.5.2.3 Схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду

 

Вторичные обмотки трансформаторов тока, соединенные последовательно разноименными выводами (рис. 12), образуют треугольник.

Реле, соединенные в звезду, подключаются к вершинам этого треугольника. При такой схеме соединения в каждом реле проходит ток, равный геометрической разности токов двух фаз:

, , .

 

                          

 Рис.12. Схема соединения трансформаторов тока в треугольник, а обмоток реле в звезду

                                                   

        Рис. 13.  Векторная диаграмма вторичных токов в схеме при трехфазном КЗ

         Особенности схемы

1. Ток  в реле проходит при всех видах КЗ и следовательно, схема реагирует на все виды коротких замыканий.

2. Соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами трансформаторов тока зависят от вида КЗ, поэтому схема имеет различные коэффициенты схемы, а именно:

, , .

Так как коэффициенты схемы , то защита имеет разную чувствительность.

3. При КЗ на землю токи нулевой последовательности не проходят в реле (проходят только токи прямой и обратной последовательности, то есть только часть тока КЗ); схема соединения ТА1–ТА3 в треугольник является как бы комбинированным фильтром  токов прямой и обратной последовательности.

4. Дает сдвиг на 30 электрических градусов.

Схема применяется в основном для дифференциальных и дистанционных защит.

 

1.5.2.4 Двухфазная однорелейная схема соединения в неполный треугольник (на разность токов двух фаз)

 

Для выполнения схемы вторичные обмотки трансформаторов тока, установленных в двух фазах, соединяются разноименными выводами. К трансформаторам тока реле присоединяется так, что по его обмотке проходит ток равный геометрической разности фазных токов. В соответствии со схемой на рис. 14:

.

               

Рис. 14.  Схема соединения трансформаторов тока и обмотки реле на разность токов двух фаз

Особенности схемы

1. Схема защиты реагирует на все виды КЗ, за исключением замыкания на землю фазы, в которой трансформатор не установлен, поэтому применяется только для действия при многофазных повреждениях; существенным недостатком схемы является то, что при двухфазном КЗ за трансформатором с соединением обмоток Y/ защита может отказать в действии в связи с тем, что токи в фазах с трансформаторами тока равны и совпадают по фазе.

2. Соотношения между токами в реле и вторичными фазными токами трансформаторов тока зависят от вида КЗ и сочетания поврежденных фаз, поэтому коэффициент схемы  принимает различные значения. В нормальном режиме и при трехфазном КЗ . В случае двухфазных КЗ коэффициент схемы зависит от сочетания поврежденных фаз. Так, при КЗ между фазами А–С коэффициент схемы . Защита наименее чувствительна к двухфазным КЗ между фазами А–В и В–С, когда .

Схема применяется для защиты от междуфазных КЗ в основном для двигателей и не применяется для защиты от КЗ за трансформаторами со схемами соединения обмоток Y/ и /Y.

 

1.5.2.5 Схема соединения трансформаторов тока в фильтр нулевой последовательности

          

 Рис. 15. Схема соединения трансформаторов тока в фильтр токов

нулевой последовательности и векторная диаграмма вторичных токов схемы

 

Ток в реле протекает лишь при КЗ на землю. Возникает несимметричный режим и тогда I_P=3I₀ .

При нагрузках, трехфазных и двухфазных КЗ сумма первичных токов равна нулю и реле не действует. На практике из-за погрешностей трансформаторов тока в реле протекают небольшие токи небаланса.

Схема часто называется трехтрансформаторным фильтром нулевой последовательности.

Рассмотренные схемы включения измерительных реле неравноценны как по количеству оборудования, так и по другим параметрам (чувствительность, надежность, селективность и пр.) Выбор той или иной схемы определяется в первую очередь назначением защиты. При условии выполнения всех требований, предъявляемых к защите, предпочтительна наиболее простая схема, требующая наименьшего количества оборудования.

В сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью защита, выполненная по схеме полной звезды, может при двойных замыканиях на землю отключить оба места повреждения, что нежелательно, поэтому для отключения многофазных КЗ и ликвидации замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью защиту следует выполнять по схеме неполной звезды или по схеме включения реле на разность токов двух фаз.

В сетях с глухозаземленными нейтралями к защите предъявляется требование действовать на отключение защищаемого элемента при КЗ между фазами и при КЗ на землю. Такую защиту можно выполнить двумя способами: по схеме включения трансформаторов тока и реле в полную звезду; в виде двух комплектов – одного от междуфазных КЗ с соединением трансформаторов тока и реле в неполную звезду и другого от КЗ на землю с соединением трансформаторов тока в фильтр нулевой последовательности.

Как показано выше, реле тока, включенные на ток фазы (схема полной звезды), при КЗ на землю менее чувствительны, чем комплект защиты от замыканий на землю с соединением трансформаторов тока в фильтр тока нулевой последовательности.

 

1.5.3 Трансформаторы напряжения и схемы соединения их обмоток и  реле

 

Измерительные органы, в частности измерительные реле напряжения, включаются на фазные и междуфазные напряжения, а также на напряжения нулевой и обратной последовательностей. Для получения этих напряжений используются однофазные или трехфазные трансформаторы напряжения и фильтры напряжения обратной последовательности. Трансформаторы в этом случае имеют различные схемы соединения обмоток, при выполнении которых придерживаются следующих правил:

–     в случае включения первичных обмоток на фазные напряжения их начала присоединяются к соответствующим фазам, а концы объединяются и соединяются с землей;

–     при включении первичных обмоток на междуфазные напряжения их начала присоединяются к предыдущим, а концы – к последующим фазам в порядке их электрического чередования.

 

Включение однофазного трансформатора напряжения (рис. 16а).

Первичная обмотка трансформатора включается на напряжение двух любых фаз. Такая схема применяется в тех случаях, когда достаточно иметь одно междуфазное напряжение, например напряжение U_BC.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в открытый (неполный) треугольник(рис. 16б).

Первичные обмотки двух однофазных трансформаторов напряжения включаются на два любых междуфазных напряжения. Вторичные обмотки соединяются последовательно. Такая схема дает возможность включать реле на все междуфазные напряжения (реле KV1–KV3) и на напряжения фаз по отношению к искусственной нейтральной точке системы междуфазных напряжений. В последнем случае включение можно выполнить тремя реле, обмотки которых имеют равные сопротивления и соединены в звезду (реле KV4–KV6). Схема соединения двух однофазных трансформаторов в открытый треугольник является наиболее распространенной. Она не может применяться в тех случаях, когда необходимо иметь фазные напряжения относительно земли.

 



Рис. 16. Схемы соединения измерительным трансформаторов напряжения и обмоток реле

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в звезду  (рис. 16в).

Как и рассмотренная схема соединения обмоток в открытый треугольник, дает возможность включать реле на любые междуфазные напряжения (реле KV1–KV3) и на напряжения фаз относительно искусственной нейтральной точки системы междуфазных напряжений (реле KV4–KV6), а также по отношению к земле, то есть на любые фазные напряжения (реле KV7–KV9).

Рассматриваемую схему можно выполнить посредством трех однофазных трансформаторов напряжения или одного трехфазного пятистержневого. Применение трехфазных трехстержневых трансформаторов напряжения в данном случае не допускается в связи с тем, что при замыкании на землю в сети по первичным обмоткам трансформатора через его заземленную нейтраль проходят большие токи намагничивания нулевой последовательности и трансформатор сильно перегревается.

Схема соединения обмоток трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности (рис. 16г).

Напряжения отдельных последовательностей можно выделить из полных фазных напряжений посредством фильтров напряжений. Так, для получения напряжения нулевой последовательности первичные обмотки трансформаторов должны соединяться в звезду с заземленной нейтралью. Полученные при этом вторичные фазные напряжения суммируются путем соединения вторичных обмоток в разомкнутый треугольник, к которому подключается реле. Напряжение на обмотке реле KV будет равно 3U₀.