В сети с непосредственным присоединением резистора к нейтрали трансформатора на основе схемы замещения (рис. 1.8) комплексные токи в месте повреждения и в заземляющем резисторе соответственно определяются так:
Здесь g и gN — соответственно проводимости места повреждения и заземляющего резистора; g = 1/Rп, где Rп — сопротивление в месте повреждения; gN = 1/RN, где RN — сопротивление заземления нейтрали; ÚN и ÚЗ — векторы напряжений нейтрали и поврежденной фазы относительно земли соответственно; ĖС — вектор фазной э.д.с. поврежденной фазы С; С — емкость фазы относительно земли.
При низкоомном заземлении нейтрали ωС << gN. Поэтому можно принять ωС = 0. Тогда векторы токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе равны и определяются так:
Для действующих значений этих токов можно записать:
При стационарных металлических замыканиях gN << g и g + gN ≈ g. В этих условиях действующие значения токов в месте повреждения и в заземляющем резисторе можно определить так:
Токи при однофазных замыканиях на землю в сетях с резистивным заземлением искусственной нулевой точки можно определить по аналогичной методике.
В реальных условиях, как правило, z0Т << RN (где z0Т — сопротивление нулевой последовательности заземляющего трансформатора) и z0Т можно принять равным нулю. Тогда для тока в месте установки защиты при стационарном металлическом однофазном замыкании на землю можно записать:
Реже возможны и другие, более сложные виды замыканий, представляющие собой различные сочетания рассмотренных выше: трехфазное КЗ на землю (рис. 1.9, а), двухфазное КЗ на землю (рис. 1.9, б), двойное КЗ на землю (рис. 1.9, в).
Перечисленные замыкания могут иметь место как в сетях с глухозаземленной нейтралью, так и в сетях с изолированной (компенсированной) нейтралью.
2. Токовые защиты
Подавляющее большинство повреждений в электрических системах сопровождаются повышением тока, поэтому именно ток целесообразно использовать в качестве входного сигнала для средств релейной защиты.
Защиты, которые оценивают состояние защищаемого объекта по току, называют токовыми. Токовые защиты начинают действовать при выходе значения контролируемого тока за установленные границы. Эти границы, задаваемые тем или иным способом на чувствительных элементах защиты, принято называть уставками.
Действующее значение тока в месте установки защиты, при котором защита начинает действовать, называют током срабатывания защиты. Действующее значение тока в месте установки защиты, при котором защита возвращается в исходное состояние, называют током возврата защиты. Отношение тока возврата защиты к току ее срабатывания называется коэффициентом возврата.
Как правило, чувствительные к току элементы — токовые реле — включаются в защищаемую сеть за трансформаторами тока (ТТ). В этом случае ток срабатывания реле (уставка) ICP и ток срабатывания защиты IC3 связаны следующим соотношением:
где kTT — коэффициент трансформации ТТ;
кCX — коэффициент схемы, показывающий, во сколько раз ток в обмотке реле больше, чем ток во вторичной обмотке ТТ.
Значение коэффициента схемы определяется схемой соединения вторичных обмоток ТТ и катушек реле.
Токовые защиты должны устанавливаться на защищаемом участке электрической сети со стороны источника питания. Если электрическая сеть включает в себя несколько источников, то защиты на контролируемом объекте следует устанавливать со стороны каждого источника питания, а сами защиты в этом случае должны обладать направленностью действия.
Наиболее часто защиты реагируют на повышение тока. Поэтому они являются защитами максимального типа и называются максимальными токовыми защитами.
Существует два вида токовых защит максимального типа, различающиеся способами обеспечения селективной работы: токовые отсечки и максимальные токовые защиты с выдержкой времени срабатывания.
2.1. Токовые отсечки
Токовые отсечки — это быстродействующие токовые защиты максимального типа, селективность действия которых обеспечивается за счет ограничения зоны действия (то есть выбором только уставки по току).
В сетях с односторонним питанием токовые отсечки устанавливаются в начале защищаемого участка со стороны источника питания.
Поскольку токи КЗ зависят от удаленности места повреждения от источника питания, то можно подобрать такое значение тока срабатывания отсечки, при котором в зону ее действия будет входить только контролируемый объект. Так, ток срабатывания токовой отсечки ТО1 (рис. 2.1) должен быть больше максимально возможного тока КЗ на смежном присоединении, то есть на линии W2. Поскольку ток КЗ при повреждении в начале линии W2 практически равен току КЗ при повреждении в конце линии W1, для выбора уставки обычно рассчитывают ток КЗ при повреждении на подстанции ПС2 — при КЗ в граничной между линиями точке К1.
Условие выбора тока срабатывания отсечки в этом случае может быть записано так:
2.1.1. Выбор уставок токовых отсечек
При расчетах уставок быстродействующих защит (к которым относится и токовая отсечка) необходимо учитывать возможное влияние апериодической составляющей тока КЗ [1]. G этой целью в условие выбора включают коэффициент запаса, значение которого зависит от типа чувствительного элемента (токового реле) и защищаемого объекта:
Возможные значения коэффициента запаса приведены в табл. 2.1[4].
Таблица 2.1
Токовые отсечки без выдержки времени, установленные для защиты трансформаторов или линий, от которых далее питаются силовые трансформаторы, необходимо дополнительно отстраивать от бросков тока намагничивания, возникающих при включении (восстановлении питания) указанных трансформаторов.
Зона действия токовой отсечки линии определяется графически по точке пересечения кривой изменения тока КЗ и горизонтальной линии, соответствующей уставке. В зависимости от вида КЗ и режима работы энергосистемы положение правой границы зоны действия отсечки может изменяться (токовая отсечка обладает относительной селективностью), а ширина зоны действия может принимать значения от lMIN до lMAX (см. рис. 2.1). В пределах минимальной зоны действия lMIN отсечка выявляет любые КЗ в любом режиме работы энергосистемы. За пределами максимальной зоны lMAX, напротив, никакое КЗ отсечкой выявлено не будет. Поэтому обычно зоной действия отсечки считают минимальную зону lMIN.
Эффективность отсечек оценивается по коэффициенту чувствительности или по длине зоны действия [4]:
— для отсечек трансформаторов чувствительность определяется по току самого «легкого» КЗ (определяемого режимом заземления нейтрали) в месте установки отсечки в минимальном режиме работы энергосистемы; при этом должно выполняться условие: kЧ ≥ 2;
— при расчете коэффициента чувствительности отсечек блоков «линия-трансформатор» используют минимально возможный ток при КЗ в конце линии (то есть на границе между линией и трансформатором): kЧ ≥ 1,5;
— токовая отсечка линии считается эффективной, если зона ее действия охватывает не менее 15–20 % от общей протяженности линии.
Так как токовая отсечка мгновенного действия контролирует лишь часть объекта, ее использование в качестве единственной защиты данного объекта недопустимо.
2.1.2. Схемы токовых отсечек
Отсечки, выполненные по трехфазной трехрелейной схеме (рис. 2.2), применяются для защиты электрических сетей напряжением 110 кВ и выше (сетей с глухозаземленной нейтралью). Трансформаторы тока устанавливаются в каждой из трех фаз контролируемой сети. Вторичные обмотки ТТ и катушки токовых реле соединяют по схеме «звезда/звезда» (Y/Y); при этом в нормальном режиме токи в реле равны вторичным токам ТТ, то есть kCX = 1.