Защита шин РУ электрических станций и подстанций может осуществляться двумя основными способами [1—3].
- с помощью основных или резервных защит присоединений защищаемых систем (секций) шин. При этом обеспечивается относительная селективность отключения КЗ на шинах РУ и поврежденные шины отключаются с выдержкой времени соответствующих ступеней указанных защит;
- с помощью специальных быстродействующих защит абсолютной или относительной селективности, обеспечивающих отключение поврежденной секции или системы шин с минимальной возможной выдержкой времени.
На рис. 1.1 приведен фрагмент электрической системы с нанесением условных зон 1, 2 действия защит шин ЗШ1 и ЗШ2 на соответствующих системах (секциях) шин РУ станций и подстанций сети.
Первый способ выполнения защит шин используется в тех случаях, когда защиты присоединений обеспечивают селективное отключение поврежденных систем или секций шин РУ с приемлемым по условиям устойчивости системы и повреждаемости оборудования временем отключения КЗ на них, что соблюдается далеко не во всех случаях. В связи с этим в 20-х годах в энергетических системах СССР получил распространение второй способ осуществления защит шин, который обладает большой эффективностью и надежностью. В данной книге рассматриваются в основном различные специальные защиты шин для наиболее распространенных схем РУ станций и подстанций.
Рис. 1.1. Зоны действия защит сборных шин:
СШ1, СШ2; C1, С2 — системы и секции шин соответственно; ШСВ, СВ - шиносоединительный и секционный выключатели
В качестве специальных защит применяют токовые, с блокировкой по току и направлению мощности в присоединениях, направленные, дистанционные, дифференциальные токовые, дифференциальные токовые с торможением и дифференциально-фазные защиты.
Токовая защита шин осуществляется с помощью установленной на питающих элементах максимальной токовой защиты и отдельной ступенчатой токовой защиты на секционном выключателе СВ (рис. 1.2). При КЗ на шинах сначала отключается секционный выключатель, а затем — с некоторой выдержкой времени — выключатель питающего элемента, включенного на поврежденную секцию шин. Выдержка времени у защиты питающего элемента необходима для обеспечения селективности с защитой СВ. Защита на СВ отстраивается по времени от защит линий, подключенных к шинам. Последние оснащены максимальной токовой защитой, которая в рассматриваемом на рис. 1.2 случае выполнена при помощи токовой отсечки без выдержки времени и защиты с временем срабатывания t.
В этих условиях защита на СВ также выполняется двухступенчатой на реле тока РТ1 и РТ2. В целях упрощения на рис. 1.2 и далее показаны цепи только одной фазы защиты.
Рис. 1.2. Однолинейная принципиальная схема токовой защиты шин: а — поясняющая схема и схема цепей переменного тока; б — схема цепей оперативного постоянного тока; Тр1, Тр2 — силовые трансформаторы; РТ1, РТ2 — реле тока; РВ1, РВ2 — реле времени; РУ1, РУ2 — указательные реле
Для повышения быстродействия токовая защита шин дополняется блокировкой от реле, установленных на питаемых от шин элементах.
Возможны два варианта выполнения такой защиты, в которых в качестве блокирующих используются максимальные реле тока или реле направления мощности.
Принцип действия токовой защиты шин с блокировкой от максимальных реле тока поясняется рис. 1.3. На питающем элементе включена максимальная токовая защита с выдержкой времени tв, обеспечивающей отстройку по времени от быстродействующих защит питающего элемента, например от дифференциальной защиты генератора.
Рис. 1.3. Токовая защита шин с блокировкой от максимальных реле тока:
Г—генератор; ТТ1—ТТ3 — трансформаторы тока; В1—В3—выключатели; СШ — сборные шины; РТ1—РТ3 — реле тока
На каждой из отходящих линий имеются индивидуальные устройства защиты, а также блокирующие реле тока РТ2, РТ3, контакты которых включены параллельно и обеспечивают блокирование защиты шин на реле РТ1. При КЗ на отходящей линии Л1 (точка К2) срабатывает защита указанной линии и действует на отключение ее выключателя В2. Срабатывает также блокирующее реле тока указанной линии РТ2 и запрещает отключение выключателя В1 генератора Г. При К3 на шинах (точка К1) блокирующие реле не срабатывают и поврежденные шины отключаются с выдержкой времени tв.
Рассмотренная защита имеет следующие недостатки: имеет выдержку времени, что не всегда приемлемо; не всегда обеспечивает требуемую чувствительность.
Последний недостаток особенно ощутим при наличии двухстороннего питания отходящих линий, а также при наличии на линиях мощной двигательной нагрузки, особенно синхронных двигателей. В этих условиях блокирующие реле могут срабатывать при КЗ в точке и запрещать отключение поврежденных шин.
Ток срабатывания реле на питаемых элементах выбирается по условию отстройки от пусковых токов электродвигателей /п на линиях Л/, Л2, от токов самозапуска /Сз и токов подпитки синхронных электродвигателей при
КЗ в точке К1. Сверхпереходный ток подпитки синхрон- го двигателя при трехфазном КЗ I"с,д составляет:
где E" — сверхпереходная ЭДС двигателя по поперечной оси; χвн — индуктивное сопротивление от зажимов двигателя до точки КЗ; χ"d,c,d—сверхпереходное сопротивление двигателя по продольной оси.
Величина Iс,д оказывается примерно одного порядка с токами Iп и Iсз. Отстройка от указанных токов по величине снижает чувствительность защиты и не всегда приемлема. Указанные недостатки обусловили относительно редкое применение данного принципа на практике. Однако следует считать целесообразным его применение на подстанциях систем электроснабжения при относительно небольших по мощности синхронных двигателях в составе нагрузки.
Второй вариант токовой защиты шин (с блокировкой от реле направления мощности) может использоваться и при двухстороннем питании отходящих линий. Блокирующие реле действуют при направлении мощности КЗ от шин. Принципиальная схема защиты отличается от рассмотренной выше лишь наличием в цепях защит питаемых элементов реле направления мощности. При КЗ на одном из питаемых элементов срабатывает соответствующее реле направления мощности, исключая возможность отключения шин. При КЗ на шинах реле направления мощности не действуют и поврежденные шины отключаются защитой питающего элемента.
Чувствительность указанного варианта защиты получается более высокой, так как не требуется отстройки от токов пуска и самозапуска двигателей на питаемых элементах, а также от токов подпитки линий с двухсторонним питанием и синхронных электродвигателей. Однако защита может неселективно срабатывать при КЗ в мертвой зоне органов направления мощности, что препятствует ее широкому применению.
Принципиальная схема направленной защиты шин приведена на рис. 1.4. На всех присоединениях (как питающих, так и питаемых) устанавливаются реле направления мощности, которые срабатывают при направлении мощности от шин. При КЗ на шинах реле направления мощности не действуют и пусковые органы РТ отключают поврежденные шины. При внешних КЗ на поврежденном элементе срабатывает как пусковой орган, так и реле направления мощности, чем блокируется действие защиты шин. Поврежденный элемент в этих условиях отключается собственной защитой.
Рис. 1.4. Направленная защита шин:
а — поясняющая схема и схема цепей переменного тока и напряжения; б — схема цепей оперативного постоянного тока; СШ — сборные шины; Г1, Г2 — генераторы; B1, В2 — выключатели; TH — трансформатор напряжения; РТ1, РТ2 — реле тока; РМ1, РМ2 — реле направления мощности; РП — промежуточное реле
Однако и эта защита шин не лишена недостатков, свойственных предыдущему варианту: может излишне срабатывать при внешних трехфазных КЗ за счет мертвой зоны по напряжению у реле направления мощности. По этим причинам направленная защита не получила широкого распространения, однако она в какой-то мере явилась базой для развития и применения дифференциально-фазного принципа защиты сборных шин, непосредственно сравнивающей токи по фазе.
Дистанционный принцип защиты шин был разработан в начале 30-х годов применительно к секционированным шинам генераторного напряжения ТЭЦ при наличии токоограничивающих реакторов на отходящих линиях и в цепи секционного выключателя. Наличие сосредоточенных сопротивлений указанных реакторов, а также генераторов и трансформаторов связи дает возможность отличать КЗ на шинах от КЗ за указанными сопротивлениями с помощью дистанционной защиты. Принципиальная схема одного из вариантов такой защиты шин приведена на рис. 1.5. Комплекты дистанционных защит установлены на трансформаторах связи и секционном выключателе. Возможна установка комплектов дистанционной защиты и на генераторах. При КЗ на шинах срабатывают дистанционные защиты, включенные на токи и напряжения, относящиеся к поврежденной секции, и отключают соответствующие выключатели.
Рис. 1.5. Дистанционная защита секций шин:
а — поясняющая схема и схема цепей переменного тока и напряжения; б — схема цепей оперативного постоянного тока; Г1, Г2 — генераторы; СВ — секционный выключатель; СР — секционный реактор; B1—В4 — выключатели; Д31—Д34 — дистанционные реле
Дистанционные защиты должны быть отстроены от КЗ за сосредоточенными сопротивлениями (реакторов, трансформаторов) и должны иметь выдержку времени 0,5—0,7 с с целью отстройки от основных защит генераторов и трансформаторов. Выключатели В1 и В2 генераторов отключаются резервными защитами генераторов.
Рассмотренная защита шин имеет следующие недостатки:
может использоваться лишь при наличии реакторов в схемах РУ электростанций (не универсальность применения);
относительно невысокая чувствительность, что объясняется необходимостью отстройки от КЗ за реакторами;
наличие выдержки времени, что не всегда приемлемо по условиям работы ответственных потребителей и устойчивости энергосистемы.
Указанные недостатки обусловили относительно редкое применение дистанционных защит шин. Наиболее эффективным для защит шин является дифференциальный принцип, который позволяет выполнять защиты с абсолютной селективностью, обеспечивающей отключение поврежденных систем шин без замедления, без согласования с другими смежными защитами. Анализу возможностей данного принципа и описанию его различных модификаций и посвящено дальнейшее изложение.
Дифференциальные защиты шин подразделяются на три группы: дифференциальные токовые; дифференциальные токовые с торможением; дифференциально-фазные защиты.
Основная сложность осуществления защиты шин заключается в необходимости обеспечения селективности при высоких кратностях токов внешних КЗ, обуславливающих существенные погрешности ТТ, и, с другой стороны, высокой чувствительности в минимальных режимах при незначительных токах КЗ. Все три группы дифференциальных защит подвержены влиянию погрешностей ТТ, особенно при наличии в подводимых токах апериодических составляющих. Обеспечение селективности и чувствительности защит шин при наличии погрешностей ТТ представляет серьезную теоретическую задачу, решению которой посвящены многие работы советских и зарубежных авторов.