Назначение максимальной токовой защиты

Токовые защиты – МТЗ и токовая отсечка

Все потребители электроэнергии подключаются к генераторному концу силовым выключателем. Когда нагрузка соответствует номинальной величине или меньше ее, то причины для отключения отсутствуют, а токовые защиты сканируют схему в постоянном режиме.

Выключатель может отключаться от токовых защит, когда:

1. величина нагрузки в результате возникновения короткого замыкания резко превысила номинальное значение и создались токи КЗ, способные сжечь оборудование. Отключение такой аварии необходимо выполнять максимально быстро;

2. за счет подключения дополнительных потребителей (либо по другим причинам) в схеме возникла перегрузка — ток незначительно превысил уставку. В результате происходит постепенный нагрев оборудования и токоведущих частей, когда нарушается баланс между отводом тепла в атмосферу и тепловым действием тока. В этом случае целесообразно отключать выключатель через небольшой интервал времени, создающий задержку в питаниия схемы, в течение которой излишние нагрузки могут самоустраниться;

3. направление тока через силовой выключатель резко изменилось на противоположное — сдвинулась фаза тока.

Под эти три случая аварийных ситуаций созданы следующий виды токовых защит:

Для работы токовых защит создаются измерительные комплексы, состоящие из:

измерительных трансформаторов тока (ТТ), преобразующих первичный ток во вторичное значение с заданным классом метрологической погрешности;

реле тока, настраиваемые на уставку срабатывания;

схема коммутации, передающая вторичный ток от ТТ к реле с минимально допустимыми потерями.

Токовая отсечка (ТО)

Ее назначение: максимально быстрая ликвидация коротких замыканий, возникающих в начале (минимум порядка 20% протяженности) рабочей зоны, хотя она в отдельных случаях может применяться и для всей линии полностью.

В комплект токовой отсечки входят:

измерительный орган из реле тока, выставленного на срабатывание минимально возможной нагрузки при возникновении металлического замыкания в конце защищаемой зоны (или чувствительности);

промежуточное реле, на обмотку которого подается напряжение от сработавшего контакта измерительного органа. Выходной контакт промежуточного органа воздействует непосредственно на соленоид отключения силового выключателя, отключает его.

Как правило, этих двух реле бывает достаточно. В качестве исключения в состав токовой отсечки может быть введено реле времени, которое включается в логическую схему между измерительным и исполнительным органами для создания временно́й задержки срабатывания нескольких защит в целях их селективности.

Для обеспечения контроля действия цепей управления и отключения в схему вводятся цепи сигнализации на основе указательных блинкеров Кн, которые помогают оперативному персоналу анализировать состояние схемы и работу защит.

Технической характеристикой токовой отсечки является коэффициент чувствительности, определяющий отношение токов трёхфазного КЗ в начале линии к фактическому срабатыванию отсечки. Для токовой отсечки он выбирается ≥1,2.

Токовая максимальная защита (МТЗ)

Назначение: защита объектов от токов, превышающих номинальные величины с учетом коэффициентов:

надежности срабатывания и возврата реле;

Такая отстройка создается для устранения возможностей ложных срабатываний при номинальном режиме.

В комплект МТЗ входят те же компоненты, что и в токовую отсечку, но они обязательно дополняются реле времени, создающим задержку на срабатывание выключателя в целях обеспечения ступеней селективности.

Технической характеристикой МТЗ является коэффициент чувствительности, определяющий отношение токов междуфазного КЗ в конце линии к фактическому срабатыванию максимальной защиты. Для МТЗ он выбирается ≥1,5 для дальнего резервирования и ≥1,2 — внутри собственной зоны.

К токовым защитам в РЗиА также относится дифференциальная защита.

Максимальная токовая защита

Максима́льная то́ковая защи́та (МТЗ)— вид релейной защиты, действие которой связано с увеличением силы тока в защищаемой цепи при возникновении короткого замыкания на участке данной цепи. Данный вид защиты применяется практически повсеместно и является наиболее распространённым в электрических сетях.

Принцип действия

Принцип действия МТЗ аналогичен принципу действия токовой отсечки. В случае повышения силы тока в защищаемой сети защита начинает свою работу. Однако, если токовая отсечка действует мгновенно, то максимальная токовая защита даёт сигнал на отключение только по истечении определённого промежутка времени, называемого выдержкой времени. Выдержка времени зависит от того, где располагается защищаемый участок. Наименьшая выдержка времени устанавливается на наиболее удалённом от источника участке. МТЗ соседнего (более близкого к источнику энергии) участка действует с большей выдержкой времени, отличающейся на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности определяется временем действия защиты. В случае короткого замыкания на участке срабатывает его защита. Если по каким-то причинам защита не сработала, то через определённое время (равное ступени селективности) после начала короткого замыкания сработает МТЗ более близкого к источнику участка и отключит как повреждённый, так и свой участок. По этой причине важно, чтобы ступень селективности была больше времени срабатывания защиты, иначе защита смежного участка отключит как повреждённый, так и рабочий участок до того, как собственная защита повреждённого участка успеет сработать. Однако важно так же сделать ступень селективности достаточно небольшой, чтобы защита успела сработать до того, как ток короткого замыкания нанесёт серьёзный ущерб электрической сети.

Уставку (или величину тока, при которой срабатывает защита) выбирают, исходя из наименьшего значения тока короткого замыкания в защищаемой сети (при разных повреждениях токи короткого замыкания отличаются). Однако при выборе уставки следует так же учитывать характер работы защищаемой сети. Например, при самозапуске электродвигателей после перерыва питания, значение силы тока в сети может быть выше номинального, и защита не должна его отключать.

Реализация

Реализуется МТЗ, как правило, с помощью реле тока. Реле тока могут быть как мгновенного действия, так и срабатывающие с выдержкой времени, определяемой величиной тока, в этом случае для обеспечения необходимой выдержки времени дополнительно используют реле времени. В современных схемах релейной защиты и автоматики чаще всего используются микропроцессорные блоки защиты, которые сочетают в себе свойства этих реле.

Принцип действия максимальной токовой защиты

Лекция 7. Токовые защиты.

7.1. Основные принципы выполнения токовых защит.

7.2. Принцип действия максимальной токовой защиты.

7.3. Расчет тока срабатывания МТЗ от междуфазных КЗ.

7.4. Выбор времени срабатывания МТЗ.

Ускорение МТЗ при включении выключателя

7.6. Схемы максимальной токовой защиты

7.7. Общая оценка МТЗ.

7.1. Основные принципы выполнения токовых защит

Линии напряжением 6-35 кВ работают в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и поэтому их защита должна реагировать на междуфазные КЗ:

· трехфазные,

· двухфазные,

· двойные замыкания на землю.

Однофазные замыкания не относятся к КЗ и могут существовать в течение двух и более часов. Поэтому защита от замыканий на землю действует на сигнал. За это время необходимо переключить нагрузку на другой источник и уже после этого отключить линию.

Для отключения двухфазных и трехфазных КЗ достаточно иметь устройства защиты установленные в двух фазах. Трансформаторы тока всегда устанавливаются в фазах А и С. Защита не реагирует на ток фазы В, но это не имеет значения, т.к. при любых междуфазных КЗ ток протекает в двух фазах и сработает защита установленная либо в фазе А, либо в фазе С, либо одновременно в двух фазах.

Для защиты линии 35 кВ требуется трехрелейная схема защиты. Необходимость ее объясняется тем, что, как правило, нагрузкой линии является трансформатор 35/6-10 кВ со схемой соединения Υ/∆-11. В этом случае при двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения Υ/∆-11 в двух фазах протекает половина тока КЗ и только в одной – полный ток. Если эта фаза окажется без трансформатора тока, то в защите протекает ток в два раза меньший, что может привести к отказу защиты. На рис.7.1 приведен такой случай, когда при двухфазном КЗ между фазами А и В на стороне треугольника (∆) трансформатора ток в фазах А и С на стороне звезды (Υ) силового трансформатора равен половине тока КЗ. В обратном проводе трансформаторов тока протекает геометрическая сумма токов двух фаз, равная полному току трехфазного КЗ. Таким образом, устанавливая ТТ в трех фазах или в двух фазах и нулевом проводе, можно одновременно обеспечить чувствительность защиты при КЗ за трансформатором Υ/∆.

Рис.7.1. Распределение токов в элементах защиты, включенных в схему неполной звезды при КЗ на стороне ∆ трансформатора

Защиты, реагирующие на величину тока, проходящего в месте их включения, называют токовыми защитами.

Токовые защиты содержат два органа:

-пусковой орган; -логическую часть.

Функции пускового органа выполняет реле максимального тока, которые входят в измерительную часть схемы. Они срабатывают при повреждениях и других ненормальных режимах и вводят в действие органы выдержки времени, промежуточные и указательные реле, т.е. всю логическую часть схемы.

Под током срабатывания защиты Iсз понимают минимальный первичный ток защищаемого объекта, при котором защита срабатывает. Ток, протекающий при этом по обмотке реле, называют током срабатывания реле Iср.

В зависимости от способа обеспечения селективности токовые защиты подразделяются на:

-Максимальные токовые защиты (МТЗ);

-Токовые отсечки (ТО).

Принцип действия максимальной токовой защиты

Максимальная токовая защита контролирует ток в защищаемом элементе, отстраивается от тока нагрузки и при превышении тока уставки, с выдержкой времени действует на отключение этого элемента. Как правило, МТЗ является основной, а иногда единственной защитой линий напряжением 6-35 кВ. МТЗ – это защита, которая не только обеспечивает отключение КЗ на своей линии, но, если позволяет ее чувствительность, еще и резервирует отключение КЗ смежного участка.

Комплекты защит АК1, АК2, АК3 (рис.7.2) установлены в начале каждой линии. Каждая из защит линий W1,W2 и W3 действует на отключение выключателя соответствующей линии при повреждении на ней или на шинах противоположной (смежной) подстанции.

а)

б)

Рисунок 7.2 – Расчетная схема для выбора уставок токовых защит (а) и карта селективности для МТЗ с независимой выдержкой времени (б).

В нормальном режиме работы сети ни одна из защит не должна срабатывать. Для этого ток срабатывания защит I_сз принимается большим, чем ток, проходящий по защищаемой линии в максимальном режиме I_{нагр.макс}.

При возникновении КЗ в точке К по участкам сети между источником G и точкой КЗ протекает ток КЗ. Этот ток протекает в защитах АК1, АК2, АК3, которые приходят в действие. При этом:

– срабатывает одно или несколько (в зависимости от вида КЗ) реле тока КА, замыкая цепь катушки реле времени КТ;

– реле времени КТ обеспечивает селективность действия МТЗ.

Однако для рассматриваемого случая по условию селективности на отключение КЗ должна подействовать защита АК1. Это достигается тем, что защита АК1 имеет наименьшую выдержку времени. Защита АК2 имеет выдержку времени на ступень селективности ∆t большую, чем защита АК1.

Таким образом, селективность МТЗ обеспечивается ее выдержкой времени. Выдержки времени смежных МТЗ отличаются на величину, называемую ступенью селективности. Ступень селективности ∆t – это минимально возможная разница между временами срабатывания смежных защит, учитывающая точность работы реле. Для защит выполненных на электромеханической базе ступень селективности ∆t составляет 0,5-0,7 с. Микропроцессорные защиты позволяют обеспечить ступень селективности равную 0,2-0,3 с.

Рисунок 7.3 . Независимая (1) и зависимая (2) характеристики времени

Недостатком МТЗ является то, что по мере приближения места установки защиты к источнику питания увеличивается ее выдержка времени. Так как при этом увеличивается и величина тока КЗ, объем повреждения возрастает.

МТЗ могут выполняться с выдержками времени, не зависящими от тока в защищаемом участке (рис.7.3, кривая 1). Такие защиты при повреждении в любой точке защищаемого участка действуют с постоянной не зависимой от тока выдержкой времени. В таких МТЗ выдержка времени создается реле времени, а защиту называют МТЗ с независимой характеристикой времени срабатывания.

МТЗ могут выполняться с выдержками времени, зависящими от тока в защищаемом участке (рис.7.3, кривая 2). При этом время срабатывания МТЗ не остается постоянным при изменении в ней тока. По мере увеличения тока время срабатывания МТЗ уменьшается. Такой характер изменения выдержек времени имеют МТЗ с индукционными реле тока, с плавкими предохранителями или с цифровыми реле.

Для быстрейшего отключения КЗ и уменьшения объема повреждения, токовая защита выполняется ступенчатой: кроме МТЗ применяется и токовая отсечка.

Релейная защита линий 6-35 кВ выполняется ступенчатыми токовыми защитами. Первая ступень – токовая отсечка без выдержки времени, вторая ступень – токовая отсечка с небольшим замедлением и третья самая чувствительная ступень – максимальная токовая защита с выдержкой времени. На коротких линиях выполнить трехступенчатую защиту часто бывает невозможно по условию недостаточной чувствительности первой или второй ступеней. Тогда применяют либо две ступени – отсечку без выдержки времени и МТЗ, либо одну ступень – только МТЗ. Таким образом, МТЗ является обязательной и основной защитой на всех линиях напряжением до 35 кВ.

Задачей МТЗ является не только защитить свою линию, но и обеспечить дальнее резервирование в случае отказа защиты или выключателя при повреждениях на нижестоящих (предыдущих) линиях.

Что такое максимальная токовая защита и какое у нее назначение

Устройство и принцип действия

Принцип работы заключается в срабатывании датчика (реле) тока при превышении Iуставки на защищаемом участки линии, после чего для обеспечения селективности с определенной задержкой срабатывает реле времени.

Где она применяется? Максимальную токовую защиту устанавливают в начале линии, то есть со стороны генератора или трансформатора питающей подстанции.

Важно! Зона действия МТЗ лежит в пределах между источником питания (ТП или генератором) и потребителем (ТП или другим ВВ оборудованием). При этом она устанавливается со стороны источника, а не потребителя. Но зоны действия ступеней могут пересекаться друг с другом. Например, 1 ступень часто перекрывает зону действия второй ступени вблизи от разъединителя, где Iкз почти равны с предыдущим участком линии.

Выдержка времени срабатывания защиты подбирается так, что первая ступень (на питающей ТП) срабатывает через самый большой промежуток времени, а каждая последующая быстрее предыдущей.

Интересно: разница выдержки времени срабатывания на ближайшей к источнику питания от следующей после нее МТЗ называется ступенью селективности.

Обеспечение селективности важно для бесперебойной подачи электропитания по как можно большему количеству электрических линий. С её помощью отключаемая часть уменьшается и локализуется на участке между коммутационными аппаратами как можно ближайшими к поврежденному участку.

При этом, при возникновении кратковременных самоустраняемых перегрузок, связанных с пуском мощных электродвигателей, выдержка времени и отключение по минимальному напряжению должны обеспечить подачу электроэнергии в сеть без её отключения. При КЗ, напряжения резко уменьшаются, а при пуске двигателей такой просадки обычно не происходит.

Выбор уставок по току происходит по наименьшему Iкз из всей цепи, учитывая особенности работы подключенного оборудования. Это нужно опять же для того, чтобы максимальная токовая защита не сработала при самозапуске электродвигателей.

Перегрузка может возникнуть по трем причинам:

1. При однофазном замыкании на землю.
2. При многофазном замыкании.
3. При перегрузки линии из-за повышенного потребления мощности.

Итак, максимальная токовая защита необходима для предотвращения разрушения линий электропередач, жил кабелей и шин на подстанциях и потребителях электроэнергии, таких как мощные электродвигатели 6 или 10 кВ и прочие электроустановки.

Отличия от токовой отсечки

Защита линий от коротких замыканий также осуществляется с помощью токовой отсечки. Принцип её работы аналогичен — отключение электричества при перегрузке линии. Основным отличием является то, что селективность максимальной токовой защиты обеспечивается задержкой времени, а токовая отсечка отключает напряжение почти мгновенно при возникновении КЗ. При этом время срабатывания и селективность отсечки определяется номиналами и уставками защитных аппаратов и их время-токовыми характеристиками.

Более подробно вопрос рассмотрен на видео:

Виды МТЗ и схемы

К основным видам максимальной токовой защиты относят:

• С независимой выдержкой времени от тока. Из названия ясно, что при любых перегрузках величина выдержки времени остаётся неизменной.
• С зависимой выдержкой времени. Время зависит нелинейно от величины тока, по принципу: больше ток — быстрее отключение. Такая система позволяет точнее учитывать перегрузочную способность элементов цепи и осуществлять защиту от перегрузки.
• С ограничено-зависимой выдержкой времени. График зависимости состоит из двух частей. У него параболическая форма (как во втором случае), совмещенная с прямой линией (как в первом случае), где по вертикальной оси расположен ток, а по горизонтальной время. При этом его основание стремится к параболе, а с определенных схемой пределов переходит в прямую. Так достигается точная настройка срабатывания при малых превышениях, например при подключении мощных потребителей и групповом пуске электродвигателей.
• С блокировкой минимального напряжения. Также нужна для предотвращения отключения питания при пусковых токах. При возрастании тока выше уставки, если реле напряжения не срабатывает по минимальному значению (как при КЗ), то и напряжение не отключается.

По роду тока в оперативных цепях выделяют МТЗ:

• с постоянным оперативным током;
• с переменным оперативным током.

По количеству реле различают максимальные токовые защиты на базе:

• Трёх реле. Обеспечивают защиту и при многофазном и при однофазном замыканиях.
• Двух реле. Дешевле предыдущих, но не дают такой же надежности, особенно при однофазных замыканиях.
• Одного реле. Еще дешевле и еще менее надежны, не применимы на ответственных участках линии. У них малая чувствительность и применяется в распределительных сетях от 6 до 10 кВ и для защиты электродвигателя.

• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле, устанавливается если не хватает коммутационной способности контактов;
• KH — указательное реле (блинкер);
• SQ — блок контакт для размыкания мощных цепей, типа катушки YAT — силового коммутационного аппарата. Устанавливается так как контакты реле не рассчитываются на размыкание таких цепей.

Современные защиты часто уходят от применения релейных схем из-за особенностей их надежности. Поэтому используются МТЗ на операционных усилителях, микропроцессоре и другой полупроводниковой технике.

Современные решения позволяют более точно выставлять уставки по току и время-токовые характеристики защит.

Заключение

Мы кратко рассмотрели назначение, область применения и принцип действия максимальной токовой защиты (МТЗ) и её разницу с токовой отсечкой. У каждой схемы есть свои достоинства и недостатки. Например, достоинством МТЗ является то, что она не отключает напряжения при повторных пусках двигателей после исчезновения питания, но её выдержка времени может быть губительна для воздушной линии или линии другого типа. При этом последнее может компенсироваться либо токовой отсечкой, либо вариантом МТЗ с зависимой выдержкой времени. В любом случае бесперебойность работы электрической сети обеспечивается совокупностью систем РЗиА среди которых:

• АЧР (автоматическая частотная разгрузка);
• ТЗНП (при нулевой последовательности — замыканиях на землю);
• МТЗ;
• ТО;
• Дифзащиты и прочее.

Некоторые из них мы уже рассматривали в статьях ранее.

Теперь вы знаете, что такое максимальная токовая защита, как она устроена и работает. Надеемся, предоставленные схемы и описание помогли вам разобраться в данном вопросе!

Материалы по теме: