Для защиты питающих элементов СН от внутренних повреждений, а также от внешних КЗ на шинах распределительных устройств СН и на элементах, питаемых от этих шин, применяются соответствующие типы релейной защиты, реагирующей на эти повреждения и действующей
Рис. 9. Распределение токов в дифференциальной защите одной фазы линии: а - внешнее КЗ: б - КЗ на линии
на отключение питающих элементов. Кроме того, на питающих элементах СН применяются защиты от ненормальных режимов работы, например от перегрузки, действующие на сигнал.
Релейная защита питающих элементов СН должна соответствовать требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ).
Дифференциальная токовая защита применяется на рабочих и резервных трансформаторах СН мощностью 6300 кВ * А и выше. Она используется в качестве основной быстродействующей защиты от всех видов КЗ в обмотках трансформатора, на его выводах и в соединениях с шинами высшего и низшего напряжений.
По принципу действия дифференциальная токовая защита не реагирует на внешние КЗ и на токи нагрузки, а действует только при КЗ в зоне защиты. Защищаемая зона ограничена трансформаторами тока (ТТ), установленными по концам защищаемого элемента.
Для пояснения принципа действия на рис. 9 показана схема дифференциальной защиты линии с односторонним питанием для одной фазы. Защита выполнена на однотипных ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки ТТ соединены последовательно, а параллельно к ним подключено реле тока КА1. В нормальном режиме и при внешних КЗ (в точке К за ТТ) первичные токи в ТА1 и ТА2 одинаковы. Поэтому через реле тока КА1, включенное на разность вторичных токов этих трансформаторов, проходит лишь незначительный ток небаланса, обусловленный отличием погрешностей ТА1 и ТА2, и защита не действует. При КЗ на линии (точка К1), в зоне защиты, ток КЗ проходит только через ТА1, поскольку линия имеет одностороннее питание. Вторичный ток проходит в реле КА1, и защита срабатывает.
Дифференциальная защита трансформаторов имеет ряд особенностей, отличающих ее от дифференциальной защиты других элементов (линии, генератора и т.д.).
Токовая отсечка без выдержки времени может быть применена в качестве основной быстродействующей защиты на рабочих и резервных трансформаторах СН мощностью 4000 кВ • А и менее вместо сложной дифференциальной защиты. По условию селективности токовая отсечка не должна срабатывать при КЗ на стороне низшего напряжения защищаемого трансформатора. Это условие выполняется соответствующим выбором тока срабатывания токовой отсечки, который должен быть больше тока трехфазного КЗ во вторичной обмотке трансформатора. Токовая отсечка устанавливается со стороны обмотки высшего напряжения трансформатора, и в зону ее действия входят выводы этой обмотки и часть обмоток трансформатора, а также соединения трансформатора с шинами.
Газовая защита применяется как основная защита от витковых замыканий в обмотках трансформатора и от других повреждений внутри кожуха трансформатора, сопровождающихся выделением газа. Она также реагирует на понижение уровня масла. Зашита устанавливается на всех рабочих и резервных трансформаторах СН с вторичным напряжением 6 кВ и выполняется с помощью газового реле, поставляемого комплектно с трансформатором.
При слабом газообразовании или незначительном понижении уровня масла защита действует на сигнал. При интенсивном газообразовании, возникающем при повреждениях внутри кожуха трансформатора, или при значительном понижении уровня масла газовая защита действует без выдержки времени на отключение трансформатора от источника питания.
На трансформаторах СН с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) при наличии газового реле в отсеке предусматривается дополнительная газовая защита, реагирующая на газообразование, вызванное повреждениями в отсеке РПН, и действующая без выдержки времени на отключение трансформатора от сети.
Максимальная токовая защита с независимой выдержкой времени применяется на питающих элементах СН. Защита, с одной стороны, предназначена для отключения питающего элемента при внешних КЗ, например на шинах секций 6 или 0,4 кВ, и для резервирования защит и отказа выключателей элементов, присоединенных к этим шинам. С другой стороны, максимальная защита является также резервной защитой к основным защитам трансформаторов СН на случай их отказа или вывода из действия, а на реактированных линиях 6 кВ СН — основной и единственной защитой от междуфазных КЗ, так как на этих линиях быстродействующие защиты не применяются.
Максимальная токовая защита питающего элемента не должна срабатывать не только от токов нагрузки нормального режима, но также и от токов самозапуска присоединенных к нему электродвигателей, которые значительно превосходят номинальные токи питающих элементов СН.
Режим самозапуска электродвигателей возникает при исчезновении напряжения на шинах РУСН вследствие ошибочного или самопроизвольного отключения выключателей рабочего питающего элемента, а также при отключении его от собственной защиты, от защиты шин ГРУ 6 кВ или от защиты блока и последующем восстановлении напряжения.
Кроме того, режим самозапуска электродвигателей возникает и при включенных питающих элементах СН в случаях КЗ во внешней сети, сопровождаемых значительным снижением или кратковременным исчезновением напряжения на шинах РУСН 6 кВ.
Устойчивая и бесперебойная работа тепловых электростанций в значительной мере зависит от возможности самозапуска асинхронных двигателей механизмов СН, так как при этом не нарушается технологический режим работы электростанции. В связи с этим режим самозапуска электродвигателей является допустимым и обязательным на всех тепловых электростанциях.
Поведение асинхронного двигателя при понижении напряжения на его выводах характеризуется тем, что создаваемый им вращающий момент, который пропорционален квадрату напряжения, уменьшается и становится меньше противодействующего момента механизма, приводимого электродвигателем. При этом частота вращения ротора уменьшается.
Учитывая, что при скольжениях S, больших критического [12] скольжения sK (при котором вращающий момент электродвигателя имеет максимальное значение), величина сопротивления электродвигателя лгдв приближается к величине сопротивления электродвигателя при неподвижном роторе Л"дв пуск, в расчетах тока самозапуска для целей релейной защиты принимается хдв = хяв Пуск-
Чем значительней снижение напряжения и чем дольше оно продолжается, тем больше электродвигатели успевают затормозиться и тем длительнее процесс самозапуска при восстановлении напряжения. Аналогичное явление имеет место при исчезновении напряжения на шинах СН. Длительность самозапуска зависит от продолжительности перерыва электропитания. Эта продолжительность определяется временем действия устройств релейной зашиты при различных повреждениях как на элементах главной схемы станции, так и на элементах СН, а также временем действия устройства АВР в случае, если произошло отключение питающего элемента СН и включение резервного питания от АВР. В соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) наибольший перерыв питания не должен превышать 2.5 с. Это время обеспечивает удовлетворительные условия самозапуска электродвигателей СН на мощных блоках. Следует отметить, что благодаря применению быстродействующих зашит перерыв питания в большинстве случаев составляет не более 0,5 с. Однако при ЛВР с малым перерывом питания двигатели подвергаются значительным динамическим нагрузкам и повышенному износу.
В условиях самозапуска электродвигатели СН разворачиваются при пониженном напряжении вследствие значительного падения напряжения в сопротивлении питающего элемента, вызванного протеканием тока самозапуска. При этом ток в питающем элементе может превышать номинальный в 3—4 раза.
Самозапуск электродвигателей обеспечивается при определенном значении напряжения на шинах СН, называемом остаточным напряжением. На основании испытаний и опыта эксплуатации остаточное напряжение должно быть не менее 55—65% номинального напряжения. При таких остаточных напряжениях продолжительность самозапуска электродвигателей не превышает 30-35 с, что по условиям нагрева электродвигателей допустимо.
Следует отметить, что для современных тепловых электростанций с мощными блоками 160 800 МВт допустимая длительность самозапуска определяется не только опасностью повреждения двигателей из-за перегрева большими токами, но и в первую очередь опасностью нарушения технологического режима работы блочного агрегата. Для таких электростанций наибольшая допустимая длительность режима самозапуска принимается равной 15-20 с.
Для уменьшения тока самозапуска и получения допустимого остаточного напряжения на шинах СН, как правило, в самозапуске участвуют только электродвигатели ответственных механизмов.
Самозапуск электродвигателей может быть обеспечен только в том случае, если при самозапуске не произойдет отключение питающего элемента СН при действии его защиты от внешних КЗ (максимальной или дистанционной). Наибольший ток из сети при самозапуске потребляют полностью заторможенные двигатели. Этот режим принимается в качестве расчетного при выборе типа максимальной токовой защиты питающего элемента и расчете дистанционной защиты.
Максимальная токовая защита отстраивается от тока самозапуска электродвигателей. Отстройка означает, что ток срабатывания должен быть больше тока самозапуска, проходящего через трансформаторы тока защиты. В этом случае защита не подействует при самозапуске. Если при таком токе срабатывания рассматриваемая защита обладает необходимой чувствительностью, то она выполняется без пуска по напряжению. Если чувствительность защиты недостаточна, она может быть выполнена с пуском по напряжению. В таком виде защита может действовать только при одновременном срабатывании реле тока и реле напряжения, что имеет место только при КЗ.
Для того чтобы максимальная токовая защита с пуском по напряжению не срабатывала при самозапуске электродвигателей, напряжение срабатывания защиты должно быть отстроено от остаточного напряжения при самозапуске, т.е. должно быть меньше этого остаточного напряжения. В этом случае реле минимального напряжения не замкнет своих контактов, и, следовательно, защита не подействует на отключение пи-
2-6701
Рис. 10. Векторная диаграмма токов и напряжений и изображения в комплексной плоскости сопротивлений:
а - векторная диаграмма тока и напряжения, подводимых к реле сопротивления; 6 - характеристика срабатывания реле полного сопротивления; в - сопротивление на зажимах реле
тающего элемента СН, если даже контакты реле тока будут замкнуты при самозапуске.
Дистанционная защита применяется на рабочих и резервных трансформаторах, питающих шины 6 кВ. Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган (или омметр), определяющий удаленность (дистанцию) КЗ от места включения защиты. В качестве дистанционного органа используются реле минимального сопротивления, включенные по 90-градусной схеме на междуфазное напряжение и разность фазных токов, реагирующие на сопротивление, пропорциональное расстоянию от шин 6 кВ до места КЗ на защищаемом присоединении. Сопротивление от места установки реле до места КЗ пропорционально длине этого участка, так как
где Zn - сопротивление участка кабельной линии длиной /я; Zyil — удельное сопротивление на 1 км линии.
В защите может быть применено ненаправленное реле полного сопротивления. Сопротивление Z является комплексной величиной, поэтому характеристика срабатывания реле изображена в комплексной плоскости в осях jx, г (рис. 10, б). По оси вещественных величин откладываются активные сопротивления г, а по оси мнимых величин /' располагаются реактивные сопротивления л:. Полное сопротивление на зажимах реле Zp = £/р//р может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа Zp = rp +yxp и изображено в осях г, х вектором с координатами ил^. Величина этого вектора характеризуется модулем
а направление - углом Y?p, который определяется соотношением между хр и rp (tg^p = хр/гр).
Из рис. 10,о видно, что угол <£р равен углу сдвига фаз между векторами тока /р и напряжения Up. Вектор/р предполагаем как бы закрепленным по оси +г. Угол v3 отсчитывается от оси +г в направлении, противоположном движению часовой стрелки. Напряжение Up совпадает по направлению с вектором Zp. Защищаемая линия, имеющая активно-индуктивное сопротивление, изображается в первом квадранте плоскости сопротивлений (если Up представляет собой падение напряжения в линии от тока /р) вектором Zn при условии, что каждая точка линии характеризуется определенными сопротивлениями гп и хл. Начало защищаемой линии, где установлена рассматриваемая защита, располагается при этом в начале координат. Характеристика срабатывания реле сопротивления представляет собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Zp = ZCi р. Заштрихованная часть характеристики, где Zp < < ZC) р, соответствует области срабатывания реле. При Zp > Zc,p реле не работает. Характеристикой ненаправленного реле полного сопротивления является окружность с центром в начале координат (рис. 10,6):
ZCj р = К = const,
где К — постоянная величина.
Значения сопротивления срабатывания не зависят от угла между f/рИ'р.
Применяемая для защиты трансформаторов СН одноступенчатая дистанционная защита выполняется с помощью блок-реле, состоящего из трех дистанционных органов, и обеспечивает необходимую чувствительность к КЗ за кабелями, отходящими от секций 6 кВ СН, когда в цепи КЗ преобладает активное сопротивление; Предотвратить излишнее срабатывание защиты при обрыве цепей напряжения можно одним из следующих способов:
а) выполнить токовый пуск дистанционной защиты. При этом защита сработает только при одновременном замыкании контактов токового реле и реле сопротивления. При неисправности в цепях напряжения и срабатывании дистанционного органа защита в целом не подействует, но будет подан сигнал о неисправности цепей напряжения защиты;
б) выполнить блокировку защиты при обрыве цепей напряжения с помощью устройства блокировки типа КРБ-12. Это можно осуществить только при установке в шкафах КРУ 6 кВ трансформаторов напряжения с дополнительной вторичной обмоткой, соединенной в треугольник, у которой выведены зажимы Н, К, U. Если же трансформаторы не имеют указанной обмотки (например, схема с двумя однофазными ТН), то для блокировки используются последовательно включенные контакты автоматического выключателя, и выкатной тележки трансформатора напряжения. Предпочтительным является способ а).
Защита от перегрузки предназначена для сигнализации симметричных перегрузок и применяется на всех рабочих и резервных трансформатоpax СН, поскольку в ряде случаев на них возможны режимы перегрузок. На реактированных линиях СН защита от перегрузки не устанавливается, так как по режиму работы на них невозможны длительные систематические нагрузки, а возникающая в редких случаях кратковременная нагрузка для них не опасна.
Защита от однофазных замыканий на землю применяется на реактированных линиях 6 кВ, а также на стороне 6 кВ трансформаторов 6/0,4 кВ СН. Этот вид повреждения является наиболее распространенным для кабельной сети. Причинами его возникновения являются электрические и механические повреждения изоляции кабеля и повреждения, в кабельных муфтах, а также при монтаже и прокладке кабелей. Токи, возникающие при однофазных замыканиях на землю, зависят от режима заземления нейтралей генераторов и трансформаторов в сети, от которой питаются реактированные линии или трансформаторы. В сети 3—35 кВ, как правило, работают с изолированной нейтралью. В этих сетях при металлическом замыкании одной фазы на землю напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжения неповрежденных фаз относительно земли повышаются до междуфазного (линейного). Возникающий в месте повреждения ток на какой-либо фазе замыкается через емкость двух других неповрежденных фаз относительно земли. Поэтому ток замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью является емкостным током и величина его определяется напряжением и емкостью (протяженностью) кабельной сети. Так как междуфазные напряжения в этом режиме не изменяются, нормальная работа потребителей не нарушается.
В соответствии с ПТЭ допускается работа сети 6 кВ с замыканием на землю в течение не более 2 ч. В связи с этим можно не отключать поврежденное присоединение в течение 2 ч. Достаточно, чтобы установленная на нем защита от замыканий на землю действовала на сигнал.
Однако в дальнейшем с целью уменьшения повреждаемости электродвигателей СН при замыканиях на землю в сети 6 кВ Главтехуправление Минэнерго рекомендует предусматривать работу сети 6 кВ СН, не связанной гальванически с другими сетями, с нейтралью, частично заземленной в одной точке. Частичное заземление нейтрали может быть выполнено с помощью активного резистора, включенного между заземляющим контуром и нейтралью обмотки 6 кВ дополнительного трансформатора со схемой соединения обмоток Ун/Д. При этом на каждом элементе, присоединенном к сети 6 кВ, должна быть установлена релейная защита нулевой последовательности с действием на отключение этого присоединения.
При токах замыканий на землю в сети 6 кВ более 30 А, а в сети 10 кВ более 20 А в целях обеспечения бесперебойности питания потребителей в сетях 6-10 кВ ПУЭ предусматривается компенсация емкостных токов при помощи дугогасящих аппаратов для обеспечения гашения дуги в месте повреждения.
Для компенсации используется заземляющий дугогасящий реактор, представляющий собой регулируемую индуктивность, которая устанавливается в цепи заземления нейтрали 6 кВ специального трансформатора, присоединенного к сборным шинам генераторного напряжения. Защитное действие катушки заключается в уменьшении тока замыкания на землю в связи с наложением на емкостный ток сети сдвинутого на 180° но отношении) к нему индуктивного тока, потребляемого реактором.
При применении компенсации емкостных токов ток через место повреждения может быть уменьшен до минимального значения. Кроме Того, компенсация обеспечивает надежное дугогашение.
В сетях с компенсированной нейтралью так же, как в сетях с изолированной нейтралью, при замыканиях на землю напряжения неповрежденных фаз возрастают до междуфазных, а междуфазные напряжения между всеми фазами не изменяются, чем и обеспечивается нормальный режим питания потребителей. В соответствии с ПУЭ защита от замыканий на землю в этих сетях выполняется с действием на сигнал.
На трансформаторах СН 10/6 кВ со стороны высшего напряжения защита от замыканий на землю не устанавливается, так как повреждения В малопротяженных кабелях 10 кВ, соединяющих трансформатор с ГРУ 10 кВ, весьма редки и их легко выявить по сигнализации и по приборам контроля изоляции 10 кВ. Аналогично определяется замыкание На землю в кабеле 6 к В трансформатора, питающегося от ГРУ 6 кВ.
Дифференциальная токовая защита магистрали резервного питания 6 кВ применяется с целью убыстрения ликвидации повреждений на магистрали резервного питания. При отсутствии дифференциальной защиты ликвидация повреждений на магистрали производится защитой, установленной на вводе обмотки низшего напряжения резервного трансформатора, со временем, отстроенным от времени действия защиты на вводе резервного питания к рабочей секции 6 кВ СН.
Рекомендуется применение этой защиты при мощности резервных трансформаторов 40, 63 MB - А. При выполнении магистрали резервного питания шинопроводом чувствительность защиты, установленной на стороне низшего напряжения резервного трансформатора меньшей мощности, может оказаться недостаточной, тогда и в этих случаях рекомендуется применение дифференциальной защиты. Защита выполняется отдельно для каждой секции магистрали и подключается к трансформаторам тока на вводах от резервного трансформатора к магистрали, на вводах резервного питания к блочным секциям 6 кВ, а также в ячейке секционного выключателя. Возможны два варианта схемы дифференциальной защиты магистрали: первый — трансформаторы тока, к которым подключена защита, имеют одинаковые коэффициенты трансформации, второй они имеют разные коэффициенты трансформации. Требуемое во втором случае выравнивание токов плеч защиты осуществляется путем подбора соответствующего числа витков обмоток насыщающегося трансформатора реле.
Дуговая защита выполняется во всех шкафах КРУ 6 кВ с целью снижения объема повреждений при КЗ с открытой электрической дугой внутри ячейки. Для дуговой защиты могут использоваться контакты конечных выключателей, установленных в шкафах и связанных с положением откидной крышки, являющейся разгрузочным клапаном. При возникновении дуги повышается давление газов внутри шкафа, что вызывает откидывание крышки. При нормальном, закрытом положении крышки контакт конечного выключателя разомкнут. Дуговая защита должна быть выполнена с контролем тока КЗ в цепи питания защищаемой секции.
Устройство резервирования отказа выключателей 6 к В трансформаторов 6/0,4 кВ СН предусматривается для всех трансформаторов 6/0,4 кВ в связи с тем, что при КЗ на стороне 0,4 кВ трансформатора защита вводов питания секции 6 кВ, к которой присоединен защищаемый трансформатор, не обладает достаточной чувствительностью.
