Важнейшим требованием, предъявляемым к защитам шин любого исполнения, является условие правильного их функционирования при всех возможных состояниях первичных соединений защищаемых РУ в процессе эксплуатации, например, при нарушении фиксации распределения присоединений, переводе всех присоединений с одной системы шин на другую, наличии или отсутствии обходных внешних связей между системами шин и т. д. Наиболее полно и эффективно это требование реализуется в защитах шин, в которых их вторичная схема соединений и подключения автоматически меняет свою структуру при изменении схемы первичных соединений.
На рис. 6.1 представлена упрощенная структурная схема такой защиты двойной системы шин при нефиксированном распределении элементов. Пусковые органы ПО1, ПО2 обеспечивают селективное отключение поврежденных систем шин СШ1, СШ2 при любом распределении элементов между системами. Это достигается путем коммутации соответствующих вторичных цепей ТТ или промежуточных трансформаторов (трансреакторов) тока по контурам I и II, а также выходных цепей пусковых органов ПО1 и ПО2 через вспомогательные контакты шинных разъединителей Р1, Р2, Рп, Р(п+1) и переключающих устройств (контактов реле) ПУ1.1, ПУ1.2, ПУп.1, ПУп.2.
В практических конструкциях таких защит с целью упрощения и повышения надежности работы контуры I и II собираются на вторичных обмотках промежуточных трансформаторов тока, где и производятся требуемые коммутации цепей.
Кроме того, в ряде случаев для уменьшения числа контактов в цепях переключений используются пусковые органы в односистемном исполнении [20].
Рис. 6.1. Построение защиты для двойной системы шин при нефиксированном распределении элементов:
ПО, ПО1, ПО2— пусковые органы; (Pl—Pn), P(n+1), PI, ΡΙΙ — шинные разъединители; (TTl—TTn), ΤΤΙ, ТТП — трансформаторы тока; I, II — дифференциальные контуры охвата ТТ присоединений защищаемых систем шин; (ПУ1.1—ПУп.1), (ПУ1.2—ПУп.2) — переключающие устройства (реле), коммутируемые через вспомогательные контакты шинных разъединителей
Из-за определенной сложности аппаратурной реализации, громоздкости, обилия контактных переключений, особенно при трехфазном трехсистемном построении защит, и снижения аппаратурной надежности защиты такого рода в СССР применяются достаточно редко.
В дальнейшем, по мере прогресса в конструкциях датчиков положения (вспомогательных контактов) шинных разъединителей, контактных (или бесконтактных) переключающих устройств, защиты шин с рассмотренной структурой могут оказаться вполне конкурентоспособными с другими.
Особенно эффективно применение данного решения при разработке защит шин с торможением на выпрямленных токах, дифференциально-фазных и других современных защит шин с достаточно сложными пусковыми органами и алгоритмами их функционирования. При этом может быть получено определенное упрощение полных схем защит для рассматриваемых схем РУ.
Примером удачного технического решения такой задачи можно считать выполнение дифференциальной токовой односистемной защиты шин R23 (ЧССР) с торможением на выпрямленных токах.
Рис. 6.2. Построение защиты двойной системы шин с фиксированным распределением элементов (1-й вариант):
а — упрощенная схема цепей переменного тока; б — упрощенная схема цепей постоянного тока
В настоящее время для двойных систем шин, работающих преимущественно в режимах с фиксированным распределением элементов, используются более простые и надежные решения при построении защит шин, допускающих отключение обеих систем при КЗ на одной из них в случае нарушения фиксации [1, 2]. При этом применяются два основных варианта построения.
1) Защиты, состоящие по существу из трех одинаковых комплектов защиты шин (рис. 6.2). Два комплекта с пуско-избирательными органами ПИО1, ПИО2 защищают соответственно СШ1 и СШ2 при фиксированном распределении элементов по системам, а третий — с пусковым органом ПО — предотвращает неправильное отключение CШ1 или CШ2 от ПИО1 и ПИО2 при внешних КЗ в режимах работы с нарушенной фиксацией. При этом выходные контакты ПИО1, ПИО2 обычно шунтируются переключателем П. В соответствии с указанным алгоритмом построения защиты пусковой и пуско-избирательный органы подключены к контурам I, II и III; из них I и II охватывают ТТ присоединений, нормально закрепленных соответственно за СШ1 и СШ2, a III — ТТ всех присоединении, кроме ШСВ. В реальных конструкциях защит контуры охвата ТТ присоединений /, // и /// реализуются на общих контурах того или иного исполнения и на рис. 6.2. показаны раздельными лишь для наглядности . Данный принцип построения дифференциальной токовой защиты шин, предложенный в 40-х годах инженером П. И. Устиновым (институт «Теплоэлектропроект», г. Москва), получил широкое распространение.
Рис. 6.3. Построение защиты двойной системы шип с фиксированным распределением элементов (2-й вариант):
а — упрощенная схема цепей переменного тока; б — упрощенная схема цепей постоянного тока; П — перекидной переключатель для шунтирования выходных контактов пусковою или пуско-избирательных органов защиты
Дифференциальные токовые защиты на реле РНТ для двойной системы шин с фиксированным распределением элементов, как было рассмотрено выше, выполняются по первому варианту построения защит шин. Общий пусковой орган ПО в этом случае обеспечивает селективность защиты при внешних КЗ и надежное отключение выключателей присоединений при КЗ на защищаемых системах шин во всех основных режимах работы РУ. Общий пусковой орган дифференциальных токовых защит нормально функционирует при замкнутом ШСВ и разомкнутом ШСВ при наличии обходных связей между защищаемыми системами шин, при нарушенной фиксации присоединений и т. п.
2) Защиты шин (рис. 6.3) с использованием общего пускового органа ПО и простых избирательных органов ИО1, ИО2, подключаемых, например, к дифференциальным токовым контурам I и II. При этом возможно использование упрощенного токового избирательного органа балансного типа для выбора поврежденной системы шин [2, 17], подключаемого на разность токов дифференциальных контуров I и II. Переключатель П предназначен для шунтирования контактов избирательных органов ИО1 и ИО2 при нарушении фиксации распределения элементов по системам шин.
В рассмотренном варианте выполнения защиты общий пусковой орган ПО полностью определяет действие защиты при КЗ на СШ1 и СШ2 и селективность защиты по отношению ко всем внешним КЗ в условиях повышенных погрешностей ТТ присоединений.
Рис. 6.4. Расчетная схема для анализа работы пускового органа ПО защиты двойной системы шин с фиксированным распределением элементов:
I1—I2 — первичные токи в присоединениях при КЗ в точке К1; Л1—Л2—линии электропередачи
Для выяснения возможности широкого использования упрощенных избирательных органов дифференциальных токовых защит с торможением и дифференциально-фазных защит шин рассмотрим их работу в режимах разомкнутого ШСВ при наличии обходных связей между защищаемыми системами шин. Необходимость учета таких режимов обусловлена тем, что в электрических сетях современных энергосистем с целью снижения потерь электрической энергии и токов КЗ широко используется работа систем шин РУ подстанций при разомкнутых ШСВ. Такой режим может возникнуть при опережающем отключении ШСВ при КЗ от быстродействующих делительных защит.
Расчетная схема работы общего пускового органа защиты шин в данном режиме приведена на рис. 6.4 [24].
На рис. 6.6 приведены графики, составленные на основании уравнений (6.7), (6.8). Из графика следует, что при увеличении кратности тока и величина требуемой подпитки D возрастает и в ряде случаев должна превышать ток КЗ по обходной связи со стороны СШ2.
Уменьшение коэффициента торможения до требуемого (согласно графику на рис. 6.6) значения резко снижает возможности защиты в части ее селективности при внешних КЗ. Например, при кт=0,3 максимальное значение погрешности ТТ поврежденного присоединения не должно превышать 20—25 % в установившихся и переходных режимах КЗ.
В связи с вышеуказанным более приемлемым вариантом построения рассматриваемых защит шин представляет вариант, при котором вместо упрощенного односистемного органа балансного типа будут использоваться пуско-избирательные органы, схемы и возможности которых те же, что и у пусковых органов защиты (см. рис. 6.2).
В режиме нормально разомкнутого ШСВ и ненарушенной фиксации присоединений СШ1 и СЩ2 могут рассматриваться и защищаться как две независимые, отдельные системы шин.
Рис. 6.6. Зависимость отношений D/С от А/С: прямые, выходящие из точки А
В этом случае контакты ПО общего пускового органа должны быть зашунтированы с помощью переключателя П (см. рис. 6.2). Очевидно, что в этом случае на выбор максимально допустимого коэффициента торможения рассмотренные ранее ограничения не накладываются (кривые 1—4 на рис. 6.5).
Схемы защиты шин по рис. 6.2 принципиально обеспечивают 100 %-ную вероятность отключения повреждений на подстанциях с нормально разомкнутыми ШСВ. При нарушении фиксации распределения элементов контакты общего пускового органа ПО защиты должны быть расшунтированы переключателем П. При этом в режимах разомкнутого ШСВ и наличии обходных связей между системами шин возникает вероятность отказов ПО защиты, так как его работа в этом случае ничем не отличается от работы пускового органа на схеме, приведенной на рис. 6.4. Необходимо, однако, отметить, что время работы подстанции с нарушенной фиксацией присоединении и при разомкнутом ШСВ обычно значительно меньше времени нормальной ее работы без нарушения фиксации, поэтому вероятность отказа защиты шин в этом случае крайне мала. Следует добавить, что в полной схеме защиты шин можно предусмотреть возможность соответствующих переключении, например с помощью испытательных блоков, обеспечивающих отключение только поврежденной системы шин при КЗ при переводе присоединений на «чужую» систему шин. При этом пуско-избирательные органы ПИО1 и ПИО2 работают аналогично органам в схеме, приведенной на рис. 6.2.