Глава третья
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ШИН
3.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Дифференциальной токовой защитой шин называется защита, основанная на сравнении токов в присоединениях защищаемых шин. Принципиальная схема простейшей дифференциальной токовой защиты шин приведена на рис. 3.1. В рассматриваемом случае на всех присоединениях установлены ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации. Пусковой орган (реле Р на рис. 3.1) включен в дифференциальную цепь на сумму токов присоединений.
Зона действия защиты ограничивается ТТ, устанавливаемыми так, чтобы выключатели присоединений входили в зону действия.
При КЗ в зоне действия и отсутствии погрешностей у ТТ ток в реле Р равен (рис. 3.1,а) приведенному току КЗ:
где i'K- приведенный ток КЗ; i21, i22, i23, ..., i2n— токи в плечах защиты.
В условиях нормальной работы и при внешних КЗ в защите с идеальными ТТ ток в реле Р равен нулю.
Рис. 3.1. Принцип действия дифференциальной защиты шип
Однако в реальных условиях, особенно при внешних КЗ, из-за неидентичности характеристик ТТ и нагрузок на них в реле проходит ток небаланса (рис. 3.1, б)
Ток срабатывания защиты выбирается несколько выше тока небаланса:
(3.1) где — коэффициент запаса, или надежности; Iнб — действующее значение тока небаланса.
Величина Iнб определяется полной погрешностью ε ТТ (см. гл. 2): Iнб = εIк, где Iк — ток КЗ.
При выполнении дифференциальной токовой защиты нагрузку на ТТ выбирают по условию ε≤10 % при максимальном токе внешнего КЗ. При этом ток небаланса составляет Iнб,max=0,1Iк,max, а ток срабатывания защиты Iс,з=0,1rнIк,max, что не всегда приемлемо по условию чувствительности при КЗ в зоне действия. Для снижения ε, т. е. для повышения чувствительности защиты, необходимо уменьшать нагрузку на ТТ, что сводится к увеличению сечения контрольных кабелей.
На первой стадии развития защит шин в СССР в качестве дифференциальных применялись токовые электромагнитные реле, обладающие максимальной простотой и надежностью. Однако в переходных режимах КЗ при наличии в токах апериодических составляющих намагничивающие токи и, следовательно, токи небаланса по сравнению с установившимся режимом существенно возрастают. Отстройка от тока небаланса переходного режима приводила к снижению чувствительности защиты. Это обусловило необходимость разработки реле, не реагирующих на токи небаланса, обусловленные апериодической составляющей в токе внешнего КЗ.
В СССР для отстройки от переходных токов небаланса широко используются насыщающиеся трансформаторы тока. Их применение, в частности, для защиты шин предложено в 1946 г. в Томском политехническом институте проф. И. Д. Кутявиным. Большие исследования насыщающихся трансформаторов, обеспечившие широкое внедрение их в эксплуатацию, были проведены М. И. Царевым, И. И. Соловьевым, В. Л. Фабрикантом, Г. Т. Греком и др. В дальнейшем в Новочеркасском политехническом институте А. Д. Дроздовым [6] было разработано реле типа РНТ с быстро насыщающимся трансформатором, которое в настоящее время в нескольких модификациях серийно выпускается Чебоксарским электроаппаратным заводом.
Дифференциальная защита шин с реле РНТ эффективна при выборе нагрузок на ТТ по условию 10 %, определяемых длиной и сечением контрольных кабелей. Однако в ряде случаев при выборе сечений контрольных кабелей возникают большие трудности, обусловленные значительными протяженностью токовых цепей и значениями токов КЗ. Часто применение реле РНТ невозможно из-за того, что при КЗ в зоне действия ток в минимальном режиме оказывается меньше, чем ток небаланса при внешнем КЗ в максимальном режиме.
По условию чувствительности защиты
где Rч≥2,0 — коэффициент чувствительности; Imin — ток КЗ на шинах в минимальном режиме.
Если
, то применение реле РНТ недопустимо.
Основными достоинствами защиты на дифференциальном токовом принципе являются:
быстродействие в сочетании с селективностью; принципиальная простота реализации, так как реле и другие элементы устанавливаются только в дифференциальных цепях, общих для всей защиты;
на работу защиты не оказывают влияния токи нагрузки при несимметричных КЗ в зоне действия.
Одним из недостатков дифференциального принципа является возможность ложного срабатывания защиты при обрыве соединительных проводов. Для устранения этого недостатка ток срабатывания выбирают несколько превышающим максимальный рабочий ток наиболее мощного присоединения:
(3.2)
Расчетным является то из условий (3.1) и (3.2), которое дает большое значение тока срабатывания. Существует возможность построения дифференциальной защиты шин, которая не срабатывает ложно при обрыве соединительных проводов.
Это достигается при помощи дополнительного пуска по напряжению или применением двух защит шин, подключенных к двум независимым комплектам ТТ. Выходные органы обеих защит включаются по схеме совпадения «И», т. с. поврежденные шины отключаются, если срабатывают оба комплекта защиты. Так как вероятность одновременного обрыва токовых цепей в обеих защитах крайне мала, то необходимость отстройки от тока нагрузки отпадает. Это мероприятие дает возможность повысить чувствительность защиты.
Помимо отмеченного выше недостатка, опыт эксплуатации показал, что эффективность функционирования защит шин на дифференциальном принципе относительно низка по ряду причин [7], среди которых в первую очередь следует выделить ошибки персонала при изменениях во вторичных цепях защиты, вызванных оперативными переключениями в РУ. Нормальным является фиксированное присоединение элементов к сборным шинам и, следовательно, фиксированная схема коммутации реле и вторичных обмоток ТТ. В процессе оперативных переключений присоединений с одной системы шин на другую, замены выключателя присоединения обходным производятся с помощью испытательных блоков соответствующие изменения во вторичных цепях защиты. Ошибки с испытательными блоками в ряде случаев приводят к неселективным срабатываниям защит шин. Автоматизация изменений вторичных цепей защиты шин при оперативных переключениях затрудняется двумя причинами:
недостаточной надежностью датчиков положения шинных разъединителей (вспомогательных контактов — повторителей положения разъединителей);
относительной сложностью автоматизированной коммутации вторичных цепей ТТ.
Указанные недостатки дифференциальной токовой защиты шин привели к необходимости проведения исследований и разработок по защитам шин на дифференциальном токовом и других принципах. Дифференциальные токовые защиты шин могут быть полными ι неполными. В полной защите токовые реле включаются на геометрическую сумму токов всех без исключения присоединений. В неполной защите токовые реле включаются на геометрическую сумму токов только питающих элементов (генераторов, секционных выключателей и трансформаторов связи). Неполные защиты примени ются на генераторном напряжении ТЭЦ при наличии токоограничивающих реакторов. Чувствительность защиты ограничивается условием отстройки от тока КЗ за реакторами. Ввиду ограниченного применения неполных защит в данной работе они не рассматриваются.