Максимальная токовая защита является основным видом релейной защиты от всех видов коротких замыканий, замыканий на землю и перегрузок генераторов, силовых трансформаторов, электродвигателей, кабельных и воздушных линий электропередачи.
В зависимости от характера защищаемого объекта, напряжения установки, конструкции линий электропередачи и конфигурации сети, условий обеспечения селективности защиты и от того, заземлена нейтраль или нет, максимальную токовую защиту выполняют в различных вариантах.
Некоторые наиболее распространенные схемы максимальной токовой защиты приведены на рис. 222.
Наиболее простой и дешевой защитой является защита с применением встроенных в привод выключателя токовых реле прямого действия РТМ (защита мгновенного действия) или РТВ (защита с зависимым от тока временем действия).
Схема двухфазной защиты при помощи двух трансформаторов тока, соединенных в неполную звезду, и двух реле, также соединенных в неполную звезду, приведена на рис. 222, а.
Рис. 222. Схемы максимальной токовой защиты:
а — двухфазная защита с реле РТВ; б — двухфазная защита с реле ΡΤ-81 на переменном оперативном токе с применением промежуточного трансформатора; в —двухфазная защита с реле РТ-85 с дешунтированием электромагнитов отключения; г — трехфазная защита с реле ЭТ-500 и ЭВ-120 на постоянном оперативном токе
Двухфазная защита действует при коротких замыканиях между любыми фазами. При однофазном замыкании на землю средней фазы, в которой нет трансформатора тока, ток через обмотку установленных реле не протекает и защита в данном случае не действует, поэтому ее применяют лишь в сетях с незаземленной нейтралью, т. е. в сетях с малыми токами замыкания на землю.
Существенным недостатком защиты с применением реле прямого действия является относительно невысокая чувствительность реле.
Весьма широко применяют защиту с зависимой от тока выдержкой времени на переменном оперативном токе с высокочувствительным реле РТ-80.
На рис. 222, б приведена схема, в которой источником оперативного тока являются специальные промежуточные быстро насыщающиеся трансформаторы тока ТКБ или ПНТ (Т — тока, К — катушечный, Б — быстро насыщающийся, П — промежуточный, Н — насыщающийся).
Преимуществом такой защиты, помимо высокой чувствительности реле, является также то, что в ней в качестве оперативного тока используется ток, возникающий во вторичной обмотке трансформатора тока под воздействием токов в рабочей цепи, в связи с чем необходимость в постороннем (независимом) источнике оперативного тока (например, аккумуляторной батарее) отпадает.
Применение в данной защите индукционных реле РТ-81 с ограниченно-зависимой характеристикой и токовой отсечкой обеспечивает зависимость выдержки времени от величины токов короткого замыкания. При близких коротких замыканиях защита действует с меньшей выдержкой времени или даже с отсечкой, т. е. мгновенно, что создает лучшие возможности для настройки селективного действия защиты.
На схеме приведена двухфазная защита с включением двух трансформаторов тока на разность токов, с тем чтобы обеспечить достаточную мощность для надежной работы промежуточного трансформатора тока как источника оперативного тока.
Сечение магнитопровода промежуточного трансформатора рассчитано на быстрое магнитное насыщение, которое наступает при протекании тока 40 а в его первичной обмотке (она включается в цепь вторичных обмоток трансформаторов тока защищаемой линии). Дальнейшее увеличение тока в первичной обмотке промежуточного трансформатора не влияет на величину тока в его вторичной обмотке; величина тока при этом не превосходит 8—12 а, что вполне допустимо для контактов реле РТ-81, замыкающих при срабатывании оперативную цепь отключения.
Такие схемы на переменном оперативном токе, хотя еще и достаточно широко распространены, в настоящее время к применению не рекомендуются из-за их существенных недостатков. -
Освоение производством и серийный выпуск токовых реле РТ-85, обладающих усиленной контактной системой, которая состоит из одного переключающего без разрыва цепи контакта, позволило отказаться от применения в схемах промежуточных трансформаторов ПНТ.
На рис. 222, в приведена схема двухфазной защиты с дешунтированием электромагнитов отключения. Как видно из схемы, в нормальном режиме работы защищаемого присоединения цепь электромагнитов отключения разомкнута, а вторичные обмотки трансформаторов тока закорочены контактами реле. Разрыв цепи электромагнитов необходим потому, что сопротивление шунтирующей цепи из-за переходного сопротивления контактов и сопротивления соединяющих проводов может быть соизмеримо с сопротивлением электромагнита и при коротких замыканиях по нему может протекать большой ток еще до того, как сработает реле.
При коротком замыкании на защищаемом присоединении реле РТ-85 срабатывает с заданной выдержкой времени и переключает свой контакт, дешунтируя электромагнит отключения, в результате чего по нему потечет полный вторичный ток короткого замыкания, он сработает и отключит выключатель.
На рис. 222, а приведена схема трехфазной максимальной токовой защиты с независимой выдержкой времени на постоянном оперативном токе.
В качестве токовых реле в данной схеме показаны электромагнитные реле мгновенного действия ЭТ-500, действующие на отключение через посредство реле времени.
Трансформаторы тока и токовые реле соединены в звезду.
Защита по данной схеме действует при всех видах коротких замыканий между фазами и при однофазных замыканиях на землю, поэтому ее применяют в сетях с глухозаземленной нейтралью, т. е. в сетях с большими токами замыкания на землю.
Постоянный ток для питания оперативных цепей получают от аккумуляторной батареи. Независимую выдержку времени в данной схеме обеспечивает реле времени ЭВ-120; действие защиты фиксирует указательное реле ЭС-21, включенное последовательно в цепь электромагнита отключения ЭО привода выключателя. Контакты указательного реле могут быть использованы также для включения звукового сигнала, оповещающего об автоматическом отключении выключателя (аварийная сигнализация).
В цепи электромагнита отключения установлены вспомогательные блокировочные контакты БК, механически связанные с приводом выключателя. Эти контакты замкнутся тогда, когда выключатель будет включен.
Размыкаясь при отключении выключателя, блокировочные контакты разрывают цепь электромагнита отключения привода, освобождая при этом от данной операции контакты реле времени или другого вспомогательного реле и предупреждая тем самым разрушение их электрической дугой.
Рис. 223. Защита кабельной линии от однополюсных замыканий на землю
При использовании в качестве источника переменного оперативного тока промежуточных трансформаторов тока (рис. 222, б) необходимость в блокировочных контактах отпадает, так как ток в оперативной цепи исчезает при отключении выключателя.
В ряде случаев в сложных разветвленных сетях для защиты от однополюсных замыканий на землю применяют специальные виды так называемой земляной защиты, реагирующей не только на большие, но и на очень малые токи. Такую защиту чаще всего включают для действия на предупреждающий сигнал. Один из видов земляной защиты применяемой на кабельных линиях, осуществляют при помощи специального трансформатора тока, называемого трансформатором тока нулевой последовательности (рис. 223). Этот трансформатор имеет кольцеобразный магнитопровод, который надевают на трехфазный кабель защищаемой линии, а к его вторичной обмотке подключают токовые реле (первичной обмоткой служит кабель). В нормальных условиях, а также при перегрузках и междуфазных коротких замыканиях сумма токов трех фаз кабеля равна нулю, следовательно, магнитного потока вокруг кабеля не возникает и ток через обмотку реле не течет.
При однофазном замыкании на землю симметрия токов в кабеле нарушается, вокруг кабеля и в магнитопроводе трансформатора возникает магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке трансформатора э. д. с., вызывающую протекание тока через обмотку реле.
Для обеспечения селективного действия защиты в сложных сетях, например при питании подстанции по двум параллельным линиям, применяют максимальную токовую защиту направленного действия. Сущность работы защиты в этих условиях заключается в следующем.
Короткое замыкание в точке К на линии Л-1 (рис. 224) должно быть отключено выключателями 1 и 2. Однако по уставкам времени обычная защита может отключить вместо выключателя 2 выключатель 3 или одновременно оба эти выключателя, что недопустимо, так как тогда подстанция Б останется без питания при исправной линии Л-2. Всякий другой подбор уставок времени защит выключателей линий Л-1 и Л-2 не дает требуемых результатов, ибо следует иметь в виду, что короткое замыкание может возникнуть на любой из двух линий. В данном случае для селективного действия защиты выключателей 2 и 3 необходимо помимо соответствующих уставок времени создать условия, при которых защита сработала бы только тогда, когда мощность направлена от шин подстанции Б. Это достигается применением реле мощности дополнительно к токовым реле.
Принципиальная схема максимальной токовой защиты направленного действия в однофазном изображении приведена на рис. 225.
Рис. 224. Принцип устройства максимальной токовой защиты направленного действия в сетях с питанием параллельными линиями
Рис. 225. Принципиальная схема максимальной токовой защиты направленного действия
Токовое реле в этой схеме срабатывает всякий раз, когда ток превосходит величину его тока уставки; реле мощности срабатывает только в том случае, когда мощность в его воспринимающем органе направлена в соответствии с подключением токовых обмоток реле. Благодаря последовательному соединению оперативных контактов обоих реле импульс на реле времени, а затем и на отключение выключателя поступит только при одновременном срабатывании реле тока и мощности.
Другим специальным видом токовой защиты является дифференциальная токовая защита, действующая при коротких замыканиях лишь в защищаемой зоне и не реагирующая на сквозные токи, возникающие вследствие перегрузок или коротких замыканий вне защищаемого участка. Дифференциальная токовая защита не связана по селективности с защитами других участков и поэтому является быстродействующей.
Токовая поперечная дифференциальная защита (токовая восьмерка) для защиты параллельных линий, присоединенных через один общий выключатель и имеющих равные сопротивления, приведена на рис. 226.
Рис. 226. Принципиальная схема поперечной дифференциальной защиты параллельных линий
Вторичные обмотки трансформаторов тока обеих линий соединены последовательно с соблюдением полярности, т. е. начало обмотки (И1) одного трансформатора соединено с концом обмотки (И2) другого трансформатора. Параллельно этому соединению включена обмотка токового реле ЭТ-500, в обмотке которого токи от обоих трансформаторов тока направлены навстречу один другому.
В нормальном режиме или при сквозных коротких замыканиях по линиям протекают равные токи, а так как коэффициенты трансформации трансформаторов тока обеих линий одинаковы, их вторичные токи равны, и, если пренебречь некоторым током небаланса, обмотки реле током не обтекаются.
В случае короткого замыкания на одной из линий (например, Л-1) в точке К токи в линиях не будут равны, так как сопротивление от шин подстанции до места короткого замыкания по линии Л-1 равно сопротивлению только этой части линии (до точки К), а по линии Л-2 — сумме сопротивлений линии Л-2 и остальной части линии Л-1. Следовательно, нарушится равенство токов во вторичных обмотках трансформаторов тока и через обмотку реле потечет некоторый ток разности, реле сработает и последует отключение выключателя.
При коротких замыканиях вблизи шин подстанции Б дифференциальная защита действовать не будет ввиду незначительной разницы сопротивлений линий до точки повреждения, а следовательно, почти полного равенства протекающих в них токов. Такой участок сети называют мертвой зоной действия дифференциальной защиты.
Для отключения линий при коротких замыканиях в мертвой зоне и на шинах подстанции Б на подстанции А, кроме дифференциальной, устанавливают максимальную токовую защиту с выдержкой времени.
В необходимых случаях поперечная дифференциальная защита может быть выполнена направленной (направленная восьмерка) с применением реле направления мощности.
Продольную дифференциальную защиту (рис. 227) применяют для защиты мощных генераторов и силовых трансформаторов при повреждении обмоток или замыканиях на выводах.
Продольная дифференциальная защита является быстродействующей, так как она не реагирует на сквозные токи, связанные с повреждениями вне защищаемого объекта.
Рис. 227. Принципиальные схемы продольной дифференциальной защиты:
а — схема включения защиты для генератора и токопрохождение в нормальном режиме; б — схема включения защиты для силового трансформатора и токопрохождение при коротком замыкании в защищаемой зоне
Для осуществления дифференциальной защиты трансформаторы тока с равным коэффициентом трансформации устанавливают с обеих сторон защищаемого объекта и их вторичные обмотки соединяют встречно-последовательно. Параллельно к ним подключают токовое реле.
В режиме нагрузки и при повреждениях вне зоны между трансформаторами тока защита не действует, так как через оба трансформатора тока протекают токи, равные по величине (рис. 227, а}. При этом в обмотке реле будут действовать два равных по величине, но противоположно направленных вторичных тока, благодаря чему через обмотку реле будет протекать только незначительный ток небаланса, учитываемый загрублением уставки тока срабатывания реле.
Для выравнивания вторичных токов в дифференциальной защите силовых трансформаторов (с учетом коэффициента трансформации) в цепь одного из трансформаторов тока включают промежуточный автотрансформатор тока или устанавливают специальные выравнивающие реле.
При коротком замыкании внутри защищаемого объекта (генератора или трансформатора) или на любом участке между трансформаторами тока (см. рис. 227, а) в одном из них тока не будет, следовательно, через обмотку реле потечет полный вторичный ток короткого замыкания другого трансформатора тока и реле мгновенно сработает на отключение выключателя и автомата гашения поля (АГП) генератора.
