Вопрос 13 . Максимальные токовые защиты на переменном оперативном токе

Требования к ТТ, питающим оперативные цепи. Источником переменного оперативного тока в схемах МТЗ по соображениям, изложенным в §1.9, обычно служат ТТ. Основным требованием, предъявляемым к ТТ, питающим оперативные цепи, является условие, чтобы их мощность S_TT была достаточна для покрытия мощности, потребляемой оперативной цепью S_о.ц, т.е. мощности, необходимой для срабатывания электромагнита отключения (ЭО) выключателя S_ЭО и элементов логической части РЗ S_л.ч:

(4.16)

Большую часть мощности S_о.ц составляет потребление ЭО выключателя. В зависимости от типа привода выключателя значение S_{0 ц} при токе срабатывания ЭО колеблется от 30 до 1000 Вт. Эта мощность, как правило, превышает значение номинальной мощности ТТ (S_{TT ном}), при этом токовая погрешность ТТ ΔI выходит за пределы значений, допустимых для устройств РЗ. Поэтому в тех случаях, когда из-за большой нагрузки, создаваемой оперативными цепями, погрешность ΔI > 10%, для питания оперативных цепей выделяются отдельные ТТ, не связанные с измерительной частью РЗ. Мощность, отдаваемая ТТ S_TT = I_вU_в, имеет некоторое предельное значение. С учетом того, что вторичное напряжение ТТ U_в= I_вZ_н, a вторичный ток I_в = I_п /k_I – ΔI:

(4.17)

где Z_н – сопротивление нагрузки оперативных цепей ТТ (см. §3.1). При некотором оптимальном значении Z_н мощность S_TT достигает своего максимума. При дальнейшем увеличении Z_н погрешность ΔI становится более 50%, значение резко уменьшается и S_TT начинает снижаться (рис.4.16). Таким образом, каждый ТТ имеет предельную мощность S_TT mах. Для отключения выключателей 110-220 кВ с механизмом отключения, требующим больших усилий, мощность ТТ оказывается недостаточной.

Схемы МТЗ на переменном оперативном токе. Схемы МТЗ с питанием оперативных цепей от источников переменного тока (см. §1.9) могут выполняться: с непосредственным питанием от ТТ по принципу дешунтирования ЭО выключателей; с питанием выпрямленным т оком, от специальных блоков питания; с питанием от предварительно заряженных конденсаторов.

Схемы с дешунтированием электромагнитов отключения выключателя. Подобные схемы МТЗ в отечественной практике выполняются только на электромеханических реле как с зависимой, так и независимой характеристикой выдержки времени.

С хемы МТЗ с зависимой характеристикой. На рис.4.17, с приведена наиболее распространенная двухфазная схема с двумя ТТ, установленными на фазах А и С и с двумя токовыми реле КА1 и КА2, действующими с выдержкой времени, зависящей от тока. Трансформаторы тока ТАА и ТАС, питающие токовые реле, включенные по схеме неполной звезды, используются как источники оперативного тока.

Привод выключателя выполняется с двумя ЭО (YAT1 и YAT2), которые приходят в действие от токов, проходящих в ТАA и ТАС. Вторичный ток ТТ подается в YAT1 и YAT2 контактами токовых реле КА1 и КА2. Их контакты должны быть рассчитаны на переключение больших токов до 150 А и производить операцию переключения без разрыва вторичной цепи ТТ. Принцип выполнения подобной контактной системы показан на рис.4.18. В нормальном режиме токовые реле не действуют, их подвижный контакт 3 находится в положении 1, при котором вторичная цепь каждого ТТ замкнута и ее ток питает обмотку соответствующего реле КА. Цепи обоих ЭО (YAT1 и YAT2) разомкнуты.

При КЗ одно или оба реле КА срабатывают. Подвижный контакт 3 сработавшего реле, например КА1, переключается и замыкает сначала неподвижный контакт 2 (рис.4.17 и 4.18), подключая YAT1 ко вторичной цепи ТТ, а затем без разрыва цепи ТТ размыкает контакт 1, дешунтируя при этом YAT1. После дешунтирования весь ток ТАА замыкается через YAT1, который отключает выключатель Q.

На рис.4.17, б приведена двухфазная схема с одним токовым реле КА. В этой схеме привод выключателя имеет один электромагнит отключения YAT. Реле КА и YAT включены на ток I_p=I_a–I_c.

В обеих схемах в качестве токовых реле применяются реле РТ-85 или РТ-90 (см. §2.11), имеющие ограниченно зависимую характеристику времени действия и специальные контакты для дешунтирования электромагнита отключения.

Схема защиты с независимой выдержкой времени. На рис.4.19 изображена схема в двухфазном исполнении с двумя токовыми реле, включенными на токи фаз А и С: КА1 и КА2. Логическая часть схемы состоит из реле времени КТ и промежуточных реле КL1 и KL2, д ешунтирующих YAT1 и YAT2. Схема выполняется с помощью РТ-40 и специальных реле п еременного тока: времени РВМ-11, промежуточных РП-361 и указательных.

Для ограничения и стабилизации значений токов, поступающих в обмотку реле времени КТ (типа РВМ), последняя питается током через промежуточные насыщающиеся трансформаторы тока (ПНТ) TLA и TLC. При КЗ реле КТ включается на вторичный ток ПНТ (TLA или TLC) контактами пусковых реле тока КА1 или КА2. Однако при двухфазной КЗ между фазами А и С будут работать оба пусковых реле и реле КТ окажется включенным на сумму вторичных токов I_a + I_c, которая в этом случае равна нулю, поскольку I_a = –I_c. Для исключения этого недостатка в схеме предусмотрено размыкание вторичной цепи TLC контактами реле КА1, что обеспечивает и в этом случае действие КТ от тока фазы А. Промежуточные реле КL1 и KL2 включаются через ПНТ на токи I_a и I_c. Обмотки КL1 и KL2 питаются токами через выпрямители VS1 и VS2. Контакты промежуточных реле, дешунтирующие электромагниты отключения, выполняются так же, как у токовых реле в схемах на рис.4.17 и рассчитаны на переключение до 150 А. При КЗ в зоне сработавшее реле, например КА1, замыкает вторичную цепь TLA (рис.4.19, а), приводя в действие КТ. После замыкания контакта КТ1 (рис.4.19, в) КL1 переключает контакт КL1.1 в верхнее положение без разрыва цепи ТАA. Ток I_a замыкается через YAT1, который отключает выключатель. При срабатывании КА2 или КА1 и КА2 вместе схема действует аналогично.

Возврат всех реле в исходное состояние происходит после отключения КЗ и, следовательно, при отсутствии тока в ЭО. Поэтому в рассматриваемой схеме и во всех других, у которых оперативные цепи питаются от ТТ, вспомогательный (блокировочный) контакт выключателя в цепи ЭО не требуется.

Схемы с дешунтированием имеют особенность, заключающуюся в том, что ТТ до момента срабатывания РЗ нагружены, как обычно, сопротивлением реле и соединительных проводов. Благодаря этому обеспечиваются нормальные условия работы ТТ с допустимой погрешностью ε < 10%. После срабатывания токовых реле МТЗ нагрузка Z_н на ТТ резко увеличивается из-за подключения ЭО. При этом возрастает погрешность ТТ, а ток, проходящий по реле и ЭО, уменьшается. Для обеспечения надежного срабатывания ЭО и удержания в сработанном состоянии всех реле МТЗ необходимо проверять расчетом, что после подключения ЭО ток ТТ [I_в = (I_п/К_I) – ΔI] остается больше I_ср.ЭО и I_воз реле. Для повышения надежности действия ЭО в схеме на рис.4.19 предусмотрено отключение выключателя, даже если после подключения ЭО вернутся пусковые реле КА.

Р еле времени типа РВМ. В схеме применяется особый элемент времени, реагирующий на ток ТТ типа РВМ. Основным элементом реле (рис.4.20) является синхронный однофазный двигатель, состоящий из статора 1 и ротора 2. Обмотка статора питается от ТТ через ПНТ. Благодаря насыщению ПНТ обеспечивается неизменное напряжение на вторичной обмотке, питающей двигатель, при токах в первичной обмотке до 150 А и ограничивается значение вторичного тока, что позволяет замыкать и размыкать ее цепь контактами обычных токовых реле.

При срабатывании пускового реле РЗ (КА1 или КА2 на рис.4.19) оно замыкает вторичную цепь трансформатора ПНТ. В двигателе появляется ток, его ротор 2 втягивается в статор, цилиндрическое зубчатое колесо 3 на оси ротора сцепляется с зубчатой передачей (редуктором) 4-6, которая приводит в движение подвижные контакты реле времени 8. Через время t_р, определяемое числом оборотов ротора, контакты 8 замыкаются. Ротор вращается с постоянной (синхронной) скоростью ω = 2πf, где f – рабочая частота сети (50 Гц). Возврат реле осуществляется пружиной 11. Ток срабатывания реле регулируется витками обмоток от 2,5 до 5 А. Недостатком реле является изменение скорости вращения ротора, а следовательно, и выдержки времени при изменении частоты (погрешность составляет 2% на 1 Гц). Подобные реле типа РВМ-12 (на 4 с) и РВМ-13 (на 9 с) выпускает ЧЭA3, который освоил также выпуск нового реле серии РСВ-13.

Токовое промежуточное реле типа РП-361 (рис.4.21) состоит из электромагнитного реле клапанного типа 4, питающегося от выпрямителя 2. Ток к выпрямителю подается от ПНТ 1, подключенного к ТТ. Реле приходит в действие при замыкании обмотки 4 контактами реле времени или пусковых реле (рис.4.19). ПНТ 1 ограничивает значения напряжения и тока, питающих реле 4, что облегчает условия работы выпрямителя и контактов реле, замыкающих цепь обмотки реле 4. Кроме того, уменьшается потребление реле 4 при больших токах. Конденсатор 3 сглаживает кривую вторичного тока. Ток срабатывания реле равен 2,5 или 5 А в зависимости от соединения первичных обмоток ПНТ. Потребление реле при 2I_с.р равно 6 Вт. Наибольшего значения оно достигает при разомкнутой вторичной цепи ПНТ. Переключающие контакты устроены как показано на рис.4.19 и могут переключать ток до 150 А. Расчет тока срабатывания МТЗ и проверка надежности действия всех элементов схемы после дешунтирования ЭО состоит из четырех этапов.

1. Выбирается первичный и вторичный токи срабатывания токовых реле (I_с.з и I_с.р) по (4.4) – (4.6). Проверка погрешности ТТ производится для МТЗ с независимой характеристикой при токе I_с.з, а для зависимых – при токе КЗ, при котором задается время действия МТЗ. Сопротивление обмоток реле времени и промежуточных реле Z_p принимается наибольшим, т.е. при разомкнутой вторичной цепи ПНТ этих реле.

2. Проверяется надежность работы вспомогательных реле и ЭО после дешунтирования ЭО:

(4.18)

где I_с ЭО – ток срабатывания ЭО; I'₂ – вторичный ток ТТ после дешунтирования.

Минимальное значение коэффициента чувствительности для ЭО, определяемое для обеспечения их надежного срабатывания, должно быть приблизительно на 20% больше k_ч, принимаемого для соответствующих РЗ [1, 10]. Например, для МТЗ в основной зоне k_ч = 1,5, а для ЭО k_ч ≈ 1,8. В зоне резервирования требуется для МТЗ k_ч = 1,2, а для ЭО k_ч ≈ 1,44.

Аналогично определяется условие надежности работы вспомогательных реле, чувствительность которых значительно выше чувствительности ЭО.

Соответствующий току I'₂ первичный ток с учетом погрешности ТТ, определяемой I_нам, равен:

(4.19)

3. Проверяется отсутствие возврата реле РТ и РП-341 (РП-361) после дешунтирования ЭО. Для этого необходимо, чтобы вторичный ток I''₂, проходящий по реле после дешунтирования ЭО, удовлетворял условию

(4.20)

где I_воз и I_с.р – токи возврата и срабатывания дешунтирующего реле; k_н = 1,2.

Коэффициент возврата для электромагнитного элемента реле РТ-85 может приниматься в пределах 0,3-0,4, для дешунтирующих промежуточных реле типов РП-341 и РП-361 – не более 0,4. Для полупроводниковых реле, у которых k_в ≈ 1, в схеме МТЗ должны быть предусмотрены специальные мероприятия, предотвращающие возврат дешунтирующих органов после их срабатывания и дешунтирования ЭО.

Как и в предыдущем случае, соответствующий первичный ток

(4.21)

Ток намагничивания I_нам может быть найден по экспериментальной характеристике U₂ =f(I₂) (см. §3.3) или по кривым погрешностей ТТ (см. рис.3.3).

4. Проверяется надежность работы контактов реле, дешунтирующих ЭО:

(4.22)

где I_К mах – максимальный ток КЗ.

Если условие (4.22) не выполняется, необходимо определить I_2mах с учетом I_нам, т.е. насыщения ТТ (см. гл. 3). Если и в этом случае условие (4.22) не обеспечивается, необходимо увеличить K_I или применить другие схемы оперативного переменного тока.

Оценка принципа дешунтирования. Достоинством схем с дешунтированием является их простота, высокая надежность действия при КЗ. МТЗ с дешунтированием нашли широкое применение в распределительных сетях 6-10 кВ на присоединениях с выключателями, имеющими пружинные приводы. На выключателях с электромагнитными и пневматическими приводами, выпускаемыми промышленностью, принцип дешунтирования неприменим, так как мощность ТТ недостаточна для их отключения. Схемы дешунтирования неприменимы также для РЗ со сложной логической схемой.

Схемы питания оперативных цепей МТЗ от выпрямительных блоков. В тех случаях, когда простейший способ использования ТТ для питания оперативных цепей МТЗ по схеме дешунтирования не проходит (например, на присоединениях, оборудованных выключателями с электромагнитными или пневматическими приводами, ЭО которых потребляют большую мощность, а также при наличии сложных устройств РЗ, в том числе полупроводниковых), возможно применение выпрямительных блоков питания (БП). Блок питания является устройством, преобразующим с помощью выпрямителя переменное напряжение или ток сети в выпрямленное напряжение U_б.п, которое используется для питания оперативных цепей РЗ, цепей отключения выключателей и сигнализации [11].

Применяются два вида блоков: с выпрямленным током, получаемым от ТТ; с выпрямленным напряжением, получаемым от ТН или трансформатора собственных нужд (ТСН).

С хемы токового блока питания (БПТ), включенного на ТТ, и блока напряжения (БПН), включенного на ТН или ТСН, приведены на рис.4.22. Каждый блок состоит из выпрямителя, на вход которого в схеме БПТ (рис.4.22, а) подается ток от ТТ через ПНТ TLA, а в схеме БПН (рис.4.22, б) – напряжение ТН либо ТСН через промежуточный трансформатор TLV. В обоих блоках промежуточные трансформаторы служат для отделения вторичных цепей ТТ и ТН (ТСН) от оперативных цепей управления и РЗ, а также для получения необходимого уровня выходного напряжения блока и его регулирования. Каждый блок работает на свои сборные шинки управления (ШУ), к которым подключены оперативные цепи [12].

Токовые блоки применяются для питания оперативных цепей МТЗ от КЗ, а блоки напряжения для РЗ, реагирующих на повреждения и ненормальные режимы, при которых на ТН (ТСН) сохраняется напряжение, обеспечивающее необходимый уровень напряжения на выходе БПН.

Выпрямленное напряжение, получаемое на выходе БП, имеет пульсирующий характер в виде полуволн постоянного знака. Поэтому питание устройств РЗ, построенных на полупроводниковых элементах, возможно только при установке на выходе блоков сглаживающих фильтров, ограничивающих пульсацию выходного напряжения БП до 3%.

Для надежного действия РЗ уровень среднего значения напряжения на выходных зажимах блоков U_б.п должен быть достаточным для срабатывания элементов логической схемы. Это напряжение не должно быть меньше 0,8U_ном. Наибольшее значение U_б.п не может превышать (1,1 – 1,15) U_ном. Эти пределы выходного напряжения должны обеспечиваться при изменении входных величин БП от минимального до максимального значения в диапазоне действия РЗ. Чтобы выполнить это условие, в БПТ используется разделительный ПНТ (TLA на рис.4.22, а), который насыщается при малых значениях входного тока (около 5 А), меньших тока срабатывания РЗ, питающихся от блока, с тем чтобы выходное напряжение БПТ было достаточным для их действия. В насыщенной части характеристики намагничивания, определяющей зависимость вторичного напряжения U_вых промежуточного трансформатора от входного тока I_вх, действующее значение этого напряжения изменяется незначительно, что и обеспечивает его стабильность на выходе БПТ. Но при таком способе стабилизации в кривой вторичного напряжения ПНТ появляются пикообразные амплитуды. Суммируясь с основной гармоникой, они обусловливают опасные перенапряжения, которые могут повредить диоды, изоляцию ПНТ и ухудшить работу логических реле.

Для устранения таких перенапряжений к зажимам вторичной обмотки ПНТ подключается конденсатор С, образующий с индуктивностью ветви намагничивания ПНТ феррорезонансный контур.

В ольт-амперные характеристики БПТ при наличии феррорезонансного контура при различных нагрузках (R_н) изображены на рис.4.23. С увеличением нагрузки увеличивается значение I'_вх.