Максимальная токовая защита с независимой

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С НЕЗАВИСИМОЙ

ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ

 

Цель работы:

- изучить принцип действия защиты максимальной токовой защиты;

- изучить методы расчета и проверки уставок защиты;

- исследовать влияние схемы соединения обмоток измерительных трансформаторов тока и обмоток реле на чувствительность МТЗ;

- исследовать факторы, влияющие на селективность и зону действия МТЗ.

 

Теоретические сведения

 

Максимальная токовая защита с независимой выдержкой       времени

 

Одним из наиболее характерных признаков возникновения КЗ, а также нарушений нормального режима работы электроустановок является резкое увеличение тока (появление сверхтока), который становится значительно больше тока нагрузки.

Максимальная токовая зашита, может выполняться с независимой и с ограниченно зависимой характеристиками времени срабатывания. И в том, и в другом случае селективность защиты можно обеспечить, если время срабатывания t₁^III защиты А1 (рисунок 1.1), расположенной у источника питания, при коротком замыканиив точке K₂ на смежном участке в зоне действия защиты А2 (линия БВ) больше максимальной выдержки времени t₂^III защиты А2 на ступень селективности Δt=0,3...0,5 с.

Рисунок 1.1 – Размещение максимальных токовых защит в радиальной сети с односторонним питанием

 

Селективность должна обеспечиваться и при КЗ в точке К4. Для этого необходимо не только иметь t₁^III > t₂^III, но и t₁^III > t₃^III, где t₃^III – выдержка времени защиты A3.

 

Выбор выдержек времени максимальных токовых защит                       с независимой выдержкой времени

 

Выдержки времени у максимальных токовых защит выбирают по ступенчатому принципу: начинают выбор с наиболее удаленного от источника питания элемента и, по мере приближения к источнику питания, увеличивают ее таким образом, что защита последующего участка имеет выдержку времени на ступень селективности больше, чем максимальная выдержка времени защиты предыдущего участка. На рисунке 1.2 показано согласование независимых выдержек времени:

 

                                                                                     (1.1)

                

 

Выбор тока срабатывания

 Основным требованием при выборе тока срабатывания защиты является ее несрабатывание на отключение при послеаварийных кратковременных перегрузках, которые могут происходить по разным причинам. Рассмотрим выбор тока срабатывания зашитыА1, установленной на линии ЛI (рисунок 1.3).

 

Рисунок 1.2 – Согласование характеристик максимальных токовых защит

с независимой выдержкой времени

 

Рисунок 1.3 – Схема распределитель­ного пункта

 

При внешних КЗ, например, в точке К₂ зашита А1 обязательно должна приходить в действие, если она осуществляет дальнее резервирование. Ее селективность при этом обеспечивается выдержкой времени и тем, что после отключения этого КЗ защитой А2, защита А1 возвращается в исходное состояние.

Однако такое действие защиты имеется только в том случае, если после срабатывания защиты А2 и отключения короткого замыкания измерительный орган защиты А1 возвращается в начальное состояние. Для этого необходимо, чтобы ток возврата защиты был больше максимально возможного тока в линии I_{з max} после отключения внешнего короткого замыкания (рисунок 1.4), т. е.

 

                                                                  (1.2)

 

При определении тока I_{з max} необходимо учитывать возможность увеличения тока в защищаемой линии вследствие самозапуска электродвигателей при восстановлении напряжения после отключения ко­роткого замыкания. Ток I_{з max} обычно больше длительно существующего максимального рабочего тока        I_{раб max}, что учитывается коэффициентом самозапуска k_сзп ≈ 2,5…3. В связи с этим селективное действие защиты обеспечивается, если   или с учетом коэффициента отстройки :

 

                                                                          (1.3)

Рисунок 1.4 – График изменения то­ка в линии при нормальном ре­жиме,

при коротком замыкании и после его отключения

 

Коэффициент отстройки учитывает, например, погрешности реле, неточности расчета и принимается равным .

С учетом коэффициента возврата   из (1.3) получается следующее выражение для тока срабатывания защиты

 

                                                                        (1.4)

 

Таким образом, для вторичных реле общее расчетное выражение для определения тока срабатывания реле имеет вид

 

                                                                 (1.5)

 

где k_в – коэффициент возврата принимается равным 0,8 для реле РТ-40 и

РТ-80 и 0,65 для реле РТВ;

 – коэффициент схемы, определяется схемой соединения трансформатора тока и реле;

К_I – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

При КЗ на защищаемой линии Л1, например, в точке К₁ и ее успешном повторном включении устройством АПВ (если оно имеется) защита не должна срабатывать. Характер изменения тока у места ее установки показан на          рисунке 1.5. Из рисунка следует, что после отключения линии и до включения ее устройством АПВ повторно имеется бестоковая пауза, в результате чего измерительные органы защиты возвращаются в исходное состояние. Поэтому для этого случая в выражении (1.4) и (1.5) коэффициент возврата k_в может быть принят равным единице. Строго говоря, коэффициент самозапуска в связи с возможным неравенством токов I_{з max} и I’_{з мах} тоже может быть иным.

 

Рисунок 1.5 – Характер измене­ния тока у места установки защиты

в нормальном, аварийном и послеаварийном режимах

при наличии на линии УАПВ

 

При отключении линии Л2 (рисунок 1.3) и действии устройства АВР к линии Л1 подключается дополнительная нагрузка с максимальным рабочим током I_{раб max2}. Однако в связи с тем, что на секции шин II после отключения Л2 некоторое время отсутствовало напряжение, произошло торможение электродвигателей. После включения Q5 произошел их самозапуск и дополнительная кратковременная нагрузка на Л1 стала равной k_сзп ∙ I_{раб max2}. Кроме того, собственный ток линии I_{раб max1} так-же возрос из-за понижения напряжения на секции шин I при подключении к ней заторможенных двигателей секции шин II.

При этом электродвигатели секции шин I тоже тормозятся, а затем самозапускаются. На время их самозапуска I_{раб max1} становится равным k^’ ∙ I_{раб max1}.

Таким образом, суммарный ток кратковременной перегрузки по линии Л1 в послеаварийном режиме равен

                                                 (1.6)

 

а ток срабатывания защиты А1

 

                                         (1.7)

 

В зависимости от доли двигательной нагрузки секции шин I рекомендуется принимать k^’ = 1...1,5. Коэффициент k_сзп определяется расчетом. Ориентировочно его можно принять равным k_сзп = 2...3. В ряде случаев в выражение (1.7) рекомендуется вводить коэффициент возврата, как в выражении (1.4). Принимается наибольшее из значений тока срабатывания. Приближенно максимальный рабочий ток защищаемой линии  может быть определен:

– по сумме номинальных токов всех трансформаторов и другой нагрузки, подключенных к линии;

– по длительно допустимому току.

Если трансформаторы являются не только рабочими, но и резервными, то в нормальном режиме ток нагрузки каждого из них должен быть около 0,7 номинального тока, а в режиме резервирования длительная перегрузка не превышает 1,4 номинального тока трансформатора.

Для обеспечения селективности в ряде случаев, например, при использовании реле РТВ требуется, чтобы по мере приближения к источнику питания ток срабатывания защит увеличивался. В других случаях ток срабатывания защитыА1, расположенной вблизи источника питания, должен быть не меньше тока срабатывания  защиты А2 (рисунок 1.3). Таким образом, должно выполняться условие

 

                                                                                    (1.8)

 

В раде случаев приходится учитывать также влияние токов нагрузки. При этом, в частности, для защиты А1 должно выполняться условие

 

,                                                                          (1.9)

 

где  – максимальный рабочий ток электропотребителей подстанции I^’.

Чувствительность максимальной токовой защиты проверяют по минимальному току  при поврежде­нии в конце защищаемой линии                 (рисунок 1.1, точка К₃). Чувствительность считается достаточной при . Если максимальная токовая защита осуществляет дальнее резервирование, ее коэффициент чувствительности определяется по минимальному току КЗ в конце смежного участка (рисунок 1.1, точки К₁ и К₄ для защиты A1); при этом необходимо, чтобы . При наличии нескольких линий, отходящих от шин приемной подстанции, коэффициент  должен обеспечиваться при КЗ в конце любой из них.

В распределительных сетях с двусторонним питанием, а также в сложных сетях с одним и несколькими источниками питания селективность действия максимальной токовой защиты не обеспечивается, что подтверждает пример выполнения защиты в радиальной сети с двусторонним питанием (рисунок 1.6).

 

Рисунок 1.6 – Размещение токовых защит в сети с двусторонним питанием

 

При коротком замыкании в любой точке сети, в том числе и в точке К₁ в общем случае приходят в действие все защиты. При этом для селективного отключения поврежденного участка АБ необходимо, чтобы выдержка времени  защиты А2 была меньше выдер­жек времени защиты A3 и  защиты А4, т. е.  и . Наряду с этим для селективного действия защиты при коротком замыкания в точке К₂ должно выполняться условие  и . Из этого следует, что к защитам А2 и A3 предъявляются противоречивые требования. Невозможно выполнить условие, при котором в одно и то же время выдержка времени защиты А2 была бы и больше и меньше выдержки времени защиты A3, поэтому в таких сетях максимальная токовая защита не может быть селективной и применение ее невозможно [1].

 

Микропроцессорная защита

 

1.5.1 Общие сведения.

 

В настоящие время все более широкое распространение получают микропроцессорные защиты (МПЗ) электрического оборудования, которые приходят на смену электромеханическим и микроэлектронным реле. МПЗ не меняют принципов релейной защиты и противоаварийной автоматика, но они расширяют функциональные возможности, сокращают количество реле, упрощают обслуживание и конечном счете снижают ее стоимость. Характеристики МПЗ довольно высокие:

– микропроцессорные защиты более быстродействующие, что в определенных случаях играет существенную роль;

– коэффициент возврата измерительных органов около 0,96 – 0,97;

– микропроцессорные защиты или микропроцессорные терминалы многофункциональны, что позволяет объединить в одном терминале функций различных (возможно даже, совсем не идентичных) систем защиты;

– отсутствие движущихся частей повышает надежность устройств;

– потребляемая мощность находиться на уровне 0,1 – 0,5 ВА;

– погрешность составляет 2 – 5 %.

Микропроцессорные терминалы (тоже что и МПЗ) оборудуются различными, довольно неожиданными, но очень удобными устройствами такими, как цифровой осциллограф запоминающий некоторое количество аварийных событий [3].

 

1.5.2 Микропроцессорная защита серии REF542plus.

 

REF542plus – комплектное устройство защиты и автоматики линий, линий к трансформаторам, трансформаторов собственных нужд, секционных и вводных выключателей, трансформаторов напряжения, БСК. Базовое устройство и устройство HMI терминала REF542plus представлены на рисунке 1.11.

Основные функции защиты:

– токовая отсечка;

– максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени, 3 ступени;

– направленная максимальная токовая защита, 3 ступени;

– защита от замыканий на землю, 3 ступени;

– направленная защита от замыканий на землю, 3 ступени;

– блокировка от броска тока намагничивания;

– защита от тока небаланса;

– защита от тока перегрузки;

– защита от повышения напряжения, 3 ступени;

– защита от повышения напряжения нулевой последовательности 3 ступени;

– защита по минимальному напряжению с независимой выдержкой времени, 2 ступени;

– минимальная и максимальная защиты по частоте, 5 ступеней;

– дистанционная защита линии;

– дифференциальная защита двигателей и трансформатора;

– дифференциальная защита трансформатора от замыканий на землю с торможением;

– устройство резервирования отказа выключателя;

– автоматическое повторное включение с контролем синхронизма;

– автоматический ввод резерва.

 

 

Рисунок 1.11 – Комплектное устройство защиты и автоматики REF542plus

 

Устройства имеют удобный интерфейс «Человек-Машина» с возможностью создания пользователем мнемосхемы с отображением на графическом дисплее состояния присоединения, что, наряду с использованием функций управления устройства, позволяет выполнять местное и дистанционное управление и оперативные блокировки коммутационных аппаратов защищаемого присоединения.

Свободно программируемая логика и большой набор библиотечных функций позволяют легко адаптировать устройство под конкретную задачу.

Аварийный регистратор аналоговых и дискретных сигналов позволяет зафиксировать различные режимы работы энергосистемы.

Комплектные устройства могут быть интегрированы в АСУ ТП объекта по протоколам МЭК 61850, SPA, МЭК 60870-5-103, DNP 3.0, Modbus, Profibus.

Встроенный WEB-сервер открывает новые возможности: SMS-сообщения для персонала, сообщения по электронной почте, дистанционное управление и контроль подстанции, дистанционное изменение параметров защит, автоматическое оповещение о регламентных работах.

Применение устройств серии 500 значительно снижает эксплуатационные затраты за счет сокращения числа применяемых устройств и уменьшения количества электрических соединений, простоты обслуживания и отсутствия необходимости иметь большую номенклатуру запасных частей [4].

 

1.5.3 Микропроцессорная защита серии Sepam.

 

Микропроцессорные устройства Sepam – это устройство релейной защиты, управления, контроля и измерения тока и напряжения. Данные устройства могут применяться в любых распределительных системах. Серия защиты Sepam – это цифровые защитные реле, которые совмещают в себе функции таких приборов, как вольтметр, амперметр, ваттметр. Реле защиты Sepam s20, Sepam s40, Sepam s80 предназначены для защиты распределительных сетей общего и промышленного назначения с показателями среднего напряжения. Однако данные серии устройств обладают различными техническими характеристиками и возможностями. Так, Sepam s20 предназначается для простого применения, Sepam s40 – для сложного, а Sepam s80 – для персонализированного.

Sepam s20 используется в простых схемах, где не требуется сложной автоматики и достаточно токовых защит или защит по напряжению.

Предназначение и основные возможности:

– защита от перегрузок асинхронных двигателей и трансформаторов малой мощности (6-10 кВ);

– защита воздушных линий со встроенным АПВ;

– защита двигателей от внутренних повреждений;

– защита вводов и фидеров подстанции от междуфазных КЗ и замыканий на землю.

Sepam s40 используется в схемах защиты, требующих большого объема защит по току и напряжению одновременно, а также при необходимости создания сложной логики работы.

Предназначение и возможности:

– защита от замыканий с помощью направленной защиты (применение заземленной через резистор, изолированной, компенсированной);

– защита кольцевых сетей или параллельно работающих сетей с вводами;

– редактор логических уравнений решает разнообразные функции автоматики;

– цифровой осциллограф позволяет вести запись 12 аналоговых и 16 дискретных параметров во временном интервале до 20 секунд;

Sepam s80 используется в защитах специального назначения на крупных промышленных объектах, обеспечивая надежную защиту электрических машин (мощных генераторов, трансформаторов, двигателей) и распределительных сетей. Sepam s80 и его комплектующие представлены на рисунке 1.12.

Предназначение и возможности:

– защита кольцевых сетей (с параллельными вводами и замкнутых) путем направленной защиты и использованием функции логической селективности;

 – защита от внутренних повреждений и полная защита генераторов и двигателей;

– функции резервной защиты и защита трансформаторов и специальных блоков типа "электрическая машина-трансформатор":

 – 23 выхода и 42 входа для управления и контроля системой;

– редактор логических уравнений, съемный картридж;

– ввод параметров и настроек подкреплен программным обеспечением SFT 2841.

 

1 – базовое устройство, 2 – картридж для сохранения данных параметрирования и настроек, 3 – 42 логических входа и 23 релейных выхода при применении 3 дополнительных модулей, 4 – порты подключения к сети связи, 5 – температурные датчики, 6 –низкоуровневый аналоговый выход, 7 – модуль контроля синхронизма, 8 – программное обеспечение

Рисунок 1.12 – Комплектующие Sepam s80

 

Sepam 1000 используется в схемах защиты, не требующих автоматики и дистанционного управления. Типы Sepam 1000 адаптированы к применению с таким электрооборудованием как трансформатор, фидер, электродвигатель и сборные шины. В зависимости от назначения, Sepam 1000 обеспечивает весь процесс всеми необходимыми измерениями и имеет несколько видов защиты, среди которых:

– токовая защита в фазах;

– максимальная токовая защита;

– защита от затянутого пуска, от перегрева и блокировки ротора;

– от ограничения числа пусков и от небаланса токов.

Микропроцессорные устройства Sepam способны обеспечить полный комплекс функций по релейной защите и автоматике. Этим обусловлено их широкое использование в энергетике (при производстве и распределении энергии), а также в различных отраслях промышленности (нефтехимия, металлургия, автомобилестроение, машиностроение и т.д.).

Применение защитных устройств Sepam незаменимо в процессе эксплуатации объектов. Sepam – это надежные микропроцессорные устройства, с успехом применяющиеся в любых распределительных системах [5].

 

Техника безопасности

 

К лабораторной работе допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с электроизмерительными приборами.

1 Для обеспечения пожарной безопасности при выполнении лабораторных работ необходимо выполнять требования инструкций филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате по пожарной безопасности.

2 Перед проведением лабораторных работ ознакомиться с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

3 Перед проведением лабораторных работ руководитель лабораторных работ должен произвести визуальный осмотр лабораторного комплекса и убедиться в отсутствии повреждений электрооборудования, кабельных проводок и заземления.

4 Перед включением ПК убедиться в том, что кабели надежно соединены с ИП и отсутствуют видимые повреждения.

5 Не включать стенд лабораторной работы без разрешения преподавателя или лаборанта.

6 Все соединения необходимо производить при помощи стандартных вилок и зажимов.

7 Сборку схемы производить при отключенном от сети стенде.

8 Перед включением схемы убедиться в том, что проводники хорошо заземлены, а их токоведущие части достаточно удалены друг от друга.

9 При любых отклонениях от нормальной работы схемы немедленно выключить электрическое питание и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

10 Не оставлять собранную схему без надзора.

11 Не применять проводники с поврежденной изоляцией, не скручивать короткие проводники для получения длинных концов.

12 Не касаться оголенных участков схемы.

14 Не исправлять самостоятельно повреждения в цепи электрического питания, розетках и выключателях.

15 По окончании работы необходимо отключить питание электрических приборов, выключить лабораторный стенд и привести в порядок рабочее место.

8 Контрольные вопросы

 

1 Как выбирается уставка по току для максимальной токовой защиты с независимой выдержкой времени?

2 Как обеспечивается селективность действия защит в сети с радиальным питанием?

3 Что такое «основная» и «резервная» зона действия защиты?

4 Что такое коэффициент схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле?

5 Назовите основной недостаток применения максимальной токовой защиты в радиальных распределительных сетях с односторонним питанием?

6 Дать определение чувствительности и формулу для ее расчета. 

7 Рассказать, как работает схема лабораторных испытаний, изображенная на рисунке 4.1.

8 Токи каких цепей используются для вычисления коэффициента чувствительности?

9 Назначение стенда МЭСКН-СК

10 Как рассчитывается ток срабатывания защиты?

11 В чем отличие максимальной токовой защиты от токовой отсечки?

12 Назовите схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле. Чему равны коэффициенты схемы?

13 Дать определение коэффициенту отстройки. Какое значение коэффициента отстройки принимается для определения тока срабатывания защиты?

14 Рассказать, как работают схемы, изображенные на рисунке 1.7 и рисунке 1.8. Перечислить их достоинства и недостатки.

15 Назначение микропроцессорной защиты. В чем ее достоинства и недостатки.

16 Назначение стенда АЭС-СК.

17 Назначение микропроцессорной защиты REF542plus и Sepam.

18 Рассказать порядок проведения испытаний.

19 Каким образом меняется схема соединения обмоток измерительных трансформаторов тока и обмоток реле в лабораторном комплекс DeltaProfi?

20 Какова цель данной работы?

 

СОДЕРЖАНИЕ

1 Теоретические сведения …………………………………………………..…	3
1.1 Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени……	3
1.2 Выбор выдержек времени максимальных токовых защит                           с независимой выдержкой времени…………………………………………..	4
1.3 Выбор тока срабатывания…………………………………………………	4
1.4 Схемы включения пусковых органов МТЗ……………………………….	9
1.4.1 Трехфазная схема защиты на постоянном оперативном токе…………	9
1.4.2 Двухфазные схемы защиты на постоянном оперативном токе………..	10
1.5 Микропроцессорная защита……………………………………………….	12
1.5.1 Общие сведения…………………………………………………………..	12
1.5.2 Микропроцессорная защита серии REF542plus………………………...	12
1.5.3 Микропроцессорная защита серии Sepam………………………………	14
2 Описание лабораторной установки………………………………………….	16
3 Домашнее задание и допуск к выполнению лабораторной работы……….	20
4 Порядок выполнения лабораторной работы ………………………….……	21
5 Метрологическое обеспечение экспериментальных данных……………...	25
6 Представление результатов. Формирование отчета. Отчетность…………	27
7 Техника безопасности……………………………………………………….	27
8 Контрольные вопросы………………………………………...……………..	28
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………….…	29

 

                                                                                         

 

МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА С НЕЗАВИСИМОЙ

ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ

 

Цель работы:

- изучить принцип действия защиты максимальной токовой защиты;

- изучить методы расчета и проверки уставок защиты;

- исследовать влияние схемы соединения обмоток измерительных трансформаторов тока и обмоток реле на чувствительность МТЗ;

- исследовать факторы, влияющие на селективность и зону действия МТЗ.

 

Теоретические сведения