Расчет токовой отсечки без выдержки времени от междуфазных КЗ для линий с двухсторонним питанием

Токовая отсечка без выдержки времени от междуфазных КЗ в составе защит шкафа ШЭ2607.011.021 используется как вспомогательная защита и служит, в основном, для устранения мертвых зон при КЗ вблизи места установки защиты. Поэтому она выполняется ненаправленной и должна быть отстроена от максимального тока, проходящего через защиту при внешних КЗ с двух сторон защищаемой линии.

2.3.1. Технические данные токовой отсечки [9].

Схема токовой отсечки содержит (рис.1.4):

- три реле максимального тока;

- цепи логики.

Диапазон уставок по току срабатывания реле максимального тока от 0,35 до 30 I_ном.

Коэффициент возврата реле максимального тока не менее 0,9.

Время срабатывания реле максимального тока при подаче входного тока, равного 2 I_ср не более 0,025 с

Время возврата реле максимального тока при сбросе входного тока от 10 I_ср до 0 не более 0,04 с.

В защите обеспечен диапазон уставок по выдержке времени токовой отсечки от 0.0 до 1,0 с.

Токовая отсечка может быть введена в работу постоянно или только при включении выключателя. Время ввода отсечки при включении выключателя задается в диапазоне от 0,7 до 2,0 с.

2.3.2. Выбор параметров срабатывания

Ток срабатывания отсечки без выдержки времени выбирается большим из расчета по двум условиям:

а) по условию отстройки от трехфазных КЗ вне защищаемой линии:

(2.17)

где k_отс = 1.2 - коэффициент отстройки, учитывающий наличие апериодической составляющей в токе КЗ, а также погрешности расчетов и настройки реле;

- наибольшее из значений периодической составляющей тока в защите при трехфазном КЗ на шинах подстанций с двух сторон защищаемой линии (точка К1 и К2, рис.2.5) . За расчетный принимается больший из токов и .

Рис.2.5. К расчету токовых отсечек

б) по условию отстройки от уравнительного тока при качаниях в системе:

I_c.з = k_отсI_кач.max (2.18)

где k_отс = 1.1,

I_кач.max - максимальный уравнительный ток качаний при асинхронном режиме системы.

Максимальный ток качаний при условии, что векторы ЭДС двух частей системы расходятся на 180^°, а ЭДС генераторов на 5% больше номинального напряжения, может быть определен по выражению:

(2.19)

где Х_A и Х_Б - сопротивление двух частей системы, связанных рассматриваемой ЛЭП;

X_Л - сопротивление ЛЭП (рис.2.6).

Рис. 2.6. К расчету токов качаний: а – поясняющая схема; б – схема замещения.

Из двух полученных значений тока срабатывания отсечки за расчетный ток принимается его большее значение. Как видно из рис. 2.5, обе ненаправленные отсечки 1 и 2, установленные с двух сторон защищаемой ЛЭП, выбираются по одним и тем же условиям и имеют одинаковый ток срабатывания:

I_c.з.1 = I_с.з.2

Зона действия отсечки может быть определена графически по кривым изменения токов КЗ в минимальном режиме. Если длина зоны отсечки менее (20 ¸ 40)% защищаемой ЛЭП, то отсечка не используется.

Возможна оценка пригодности отсечки по коэффициенту чувствительности:

(2.20)

где I_с,з - выбранный ток срабатывания отсечки,

- ток двухфазного КЗ в минимальном режиме системы при повреждении вблизи места установки защиты (точка К3, рис.2.5).

Допускается иметь k_ч ³ 1.2.

Определение тока срабатывания реле (уставки) производится по выражению

, (2.21)

где - коэффициент трансформации трансформаторов тока.

2.3.3. Пример расчета токовой отсечки без выдержки времени от междуфазных КЗ.

Данные для расчета.

Рассчитаем токовую отсечку для линии с двухсторонним питанием W1. Схема участка сети для этого случая приведена на рис.2.7.

Параметры линии:

Напряжение линии 230 кВ, длина 80 км,

удельное сопротивление провода Х_уд = 0,4 Ом/км.

Коэффициент трансформации трансформаторов тока K_I = 1000/5.

Токи трехфазного КЗ для замыканий в различных точках можно рассчитать на ЭВМ по программе, имеющейся на кафедре, или выполнить вручную. Рекомендации по расчету токов КЗ даны в главе 6.

Токи двухфазного КЗ определяются по выражению:

(2.22)

Максимальные значения токов трехфазного КЗ по линии W1 для каждой точки КЗ (К1, К2, К3), рассчитанные отдельно от станции и от системы, приведены в табл.2.3.

Таблица 2.3.

Точка КЗ	К1	К2	К3
Ток от станции, кА	4,845	3,06	2,24
Ток от системы, кА	2,05	2,72	4,04

Максимальный ток качаний I_{кач max} = 2,6 кА.

Расчет тока срабатывания токовых отсечек.

Ток срабатывания отсечки без выдержки времени выбирается по двум условиям:

а) по условию отстройки от внешнего трехфазного КЗ, при этом

из двух токов внешнего КЗ выбираем больший = 2,24 кА.

= 1,2 ·2,24 = 2,69 кА.

б) по условию отстройки от уравнительного тока при качаниях

= 1.1 · 2,6 = 2,86 кА.

Из двух полученных значений за расчетный ток срабатывания принимаем больший. Обе ненаправленные отсечки, установленные с двух сторон защищаемой ЛЭП, будут иметь одинаковый ток срабатывания

кА.

На рис.2.7 построены расчетные кривые токов трехфазного и двухфазного КЗ и определены зоны действия отсечек.

Как видно из рисунка, обе отсечки имеют достаточные зоны действия и их следует устанавливать.

Рис.2.7. Рассчитанные кривые токов трехфазного КЗ и зоны действия мгновенных токовых отсечек

Можно оценить эффективность отсечек по коэффициенту чувствительности при двухфазном КЗ вблизи места установки отсечки.

Для отсечки 1

> 1,2.

Для отсечки 2

> 1,2.

Ток срабатывания реле (уставка) равен

А.

3. ВЫБОР ОСНОВНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ 110 – 220 кВ

На линиях связи станции с системой 220 кВ и выше, как правило, устанавливается в качестве основной быстродействующая высокочастотная или микропроцессорная продольная дифференциальная защита.

На линиях 110 кВ можно использовать дистанционную защиту в качестве основной, если это допустимо по условиям устойчивости, что определяется при расчете устойчивости на ЭВМ.

Однако, можно оценить условие сохранения устойчивости упрощенным образом. Для этого находится остаточное напряжение на шинах подстанции при трехфазном КЗ в минимальном режиме в конце I ступени дистанционной защиты по выражению:

, (4.1)

где - ток трехфазного КЗ, протекающий по защищаемой линии при повреждении в точке, удаленной от шин подстанции на 80% длины защищаемой линии (конец зоны I ступени).

Рис. 3.1. Принципиальная схема цепей тока и напряжения защит линии

110-220 кВ с использованием шкафов ШЭ2607.081 и ШЭ2607.012.021.

3 – высокочастотный заградитель; С – конденсатор связи; ФП – фильтр присоединения.

Если U_ост ³ 60%U_ном , то по условиям сохранения устойчивости допустимо отключение повреждения в конце линии с небольшой выдержкой времени, а следовательно, дистанционная защита может быть использована в качестве основной.

Принципиальная схема подключения защит линий 110 - 220 кВ к трансформаторам тока и напряжения приведена на рис.3.1. При двухстороннем питании на одиночной или одной из параллельных линий, отходящих от шин станции или подстанции установлены две защиты: основная высокочастотная защита типа ШЭ2607.081 и резервная типа ШЭ2607.012.021 фирмы «ЭКРА» (рис.3.1). При этом каждая защита подключается к своей группе вторичных обмоток трансформаторов тока и имеет раздельные цепи напряжения.

На линии с односторонним питанием устанавливается защита типа ШЭ2607.011.021, которая используется в качестве основной и резервной.

Высокочастотные (в.ч.) защиты являются защитами с абсолютной селективностью, срабатывают при всех видах КЗ. Защиты быстродействующие, обладают высокой чувствительностью, но дорогие, поэтому их применение должно быть обосновано.

Фирма «ЭКРА» (г.Чебоксары) выпускает два вида в.ч. защит:

- дифференциально-фазную в.ч. защиту типа ШЭ2607.081;

- направленную в.ч. защиту типа ШЭ2607.031.

Защиты состоят из двух полукомплектов, расположенных с двух сторон защищаемой линии. Связь между полукомплектами выполняется с помощью токов высокой частоты, которые передаются по одной фазе защищаемой линии. Каждый полукомплект в.ч. защиты состоит из высокочастотной и релейной частей. Высокочастотная часть включает передатчик (генератор) токов высокой частоты и в.ч. приемник, которые подключаются к фазе защищаемой линии через фильтр присоединения и конденсатор связи.

Принцип действия и упрощенные структурные схемы защит приведены в [4], техническая документация в [17].

РАСЧЕТ ЗАЩИТ ТРАНСФОРМАТОРА

4.1. Методика выбора уставок дифференциальной защиты трансформатора шкафа ШЭ 2607 041 фирмы «ЭКРА»

Схема подключения дифференциальной защиты, входящей в состав шкафа ШЭ2607 041, к трансформаторам тока и напряжения приведена на рис.4.1.

Методика выбора уставок в настоящей главе изложена на основании рекомендаций фирмы «ЭКРА» [8].

Трансформаторы тока для каждой из сторон защищаемого трансформатора выбираются на разные номинальные токи и имеют разные коэффициенты трансформации. В результате вторичные токи в плечах дифференциальной защиты различаются по величине.

Силовые трансформаторы могут иметь обмотки, собранные по схемам Y/∆ или ∆/Y, что приводит к несовпадению по фазам вторичных токов в плечах дифференциальной защиты.

Для правильной работы дифференциальной защиты в микропроцессорных устройствах производится выравнивание вторичных токов по величине и по фазе программным способом.

4.1.1. Выравнивание различий по величине во вторичных токах

В терминалах фирмы «ЭКРА» выравнивание вторичных токов по величине производится двумя способами:

- грубое выравнивание выполняется выбором числа витков первичной обмотки входных трансформаторов тока терминала;

- точное выравнивание – программным (цифровым) способом.

Входные ТТ терминала имеют число витков первичной обмотки = 16 витков с отводами от 1 и 4 витков. По значениям ,рассчитанным по (4.2), выбирается требуемый отвод, руководствуясь следующим:

- при =1 виток, диапазон токов 4,001 – 16,000 А;

- при =4 витка, диапазон токов 1,001 – 4,000 А;

- при =16 витков, диапазон токов 0,251 – 1,000 А.

Таким образом, в терминале обеспечивается грубое выравнивание токов в диапазоне от 0,251 до 16 А.

В случае, если значение тока выходит за пределы диапазона, можно использовать внешние выравнивающие трансформаторы или автотрансформаторы (АТ–31 или АТ–32).

Порядок расчета рассматривается для трехобмоточного трансформатора, схема которого приведена на рис. 4.1.

В терминалах в качестве общих уставок вводятся:

- группа соединений защищаемого трансформатора (например, Y/-11, Y/Y-0, ∆/∆-0);

- базисные токи сторон ВН, СН, НН1, НН2 (вторичные токи в плечах дифференциальной защиты);

- наличие (отсутствие) сторон ВН, СН, НН1, НН2.

Вторичные обмотки трансформаторов тока со всех сторон защищаемого трансформатора должны быть собраны по схеме «звезда» (коэффициент схемы трансформаторов тока ). Варианты, когда вторичные обмотки трансформаторов тока могут быть собраны в треугольник, в настоящем пособии не рассматриваются.

Номинальные токи для каждой стороны трансформатора, соответствующие его номинальной мощности, находятся по выражению

, (4.1)

где - номинальная мощность трансформатора; - номинальное напряжение стороны для среднего положения РПН.

Базисные токи по сторонам рассчитываются по выражению:

, (4.2)

где - коэффициент трансформации трансформаторов тока соответствующей стороны; - коэффициент схемы трансформаторов тока (для «звезды» равен 1).

Рис.4.1. Схема подключения шкафа ШЭ2607 041 (комплект А1) к цепям тока

и напряжения

Если в защите используются внешние выравнивающие устройства (например, АТ-31 или АТ-32), то базисный ток определяется по выражению:

, (4.3)

где - коэффициент трансформации внешнего выравнивающего устройства. При отсутствии внешних выравнивающих устройств принимается равным 1.

Базисные токи вводятся в терминал в качестве уставок. Погрешность выравнивания вторичных токов в плечах защиты составляет не более ±2% от базисного тока стороны.

4.1.2. Выравнивание вторичных токов по фазе

Вторичные обмотки трансформаторов тока со всех сторон защищаемого трансформатора должны быть собраны по схеме «звезда». При группе соединений защищаемого трансформатора по схеме Y/Y/∆-11 между первичными токами стороны «звезды» и стороны «треугольника» силового трансформатора будет сдвиг по фазе 330°. Для компенсации углового сдвига вторичные обмотки трансформаторов тока, обычно, собираются в «треугольник», при этом линейный ток, поступающий в реле, оказывается в раз больше фазного тока в трансформаторах тока. Компенсация фазового сдвига и коэффициента схемы для сторон ВН и СН в микропроцессорных защитах выполняется программно, то есть в терминале цифровым способом собирается «треугольник» по выражениям (при этом учитывается коэффициент 1/ ):

;

; (4.4)

,

где , , - измеряемые токи соответствующей стороны; , , - расчетные токи в относительных единицах.

4.1.2. Выбор уставок дифференциальной токовой защиты

Реле дифференциальной токовой защиты (ДТЗ) трансформатора содержит чувствительный орган с токозависмой характеристикой и дифференциальную отсечку.

ДТЗ срабатывает при всех видах КЗ в зоне действия защиты.

В реле формируются дифференциальный и тормозной токи по следующему принципу:

- из токов сторон трансформатора выбирается наибольший и ему присваивается название ;

- из суммы оставшихся токов сторон получается ток .

(4.5)

На рис. 4.2 показано расположение векторов и при внешнем КЗ (а) и при КЗ в зоне действия защиты (б).

Рис. 4.2. Расположение векторов и в различных режимах КЗ:

а) внешнее КЗ (α =180°); б) КЗ в зоне (α = 0).

Дифференциальный ток в защите определяется по выражению

(4.6)

Тормозной ток зависит от угла между токами и и определяется по выражениям:

, если 90°< α < 270° ,

, если – 90° < α < 90° или = 0, (4.7)

где α – угол между векторами и .

Чувствительный орган ДТЗ имеет токозависимую характеристику (рис. 4.3), при этом ток срабатывания ДТЗ определяется по выражению:

, если I_т > I_т0 ,

, если I_т ≤ I_т0 , (4.8)

где - ток срабатывания чувствительного органа ДТЗ;

- уставка начального тока срабатывания, регулируется в диапазоне от 0,2 до 1,0 I_{баз.стор.} с шагом 0,01;

I_т – тормозной ток;

I_т0 – уставка начального тока торможения, определяет длину горизонтального участка тормозной характеристики;

k_т – уставка по коэффициенту торможения.

При тормозном токе I_т ≥ I_т.бл (ток торможения блокировки) характеристика срабатывания изменяется:

если ≥ I_т.бл и ≥ I_т.бл - защита блокируется;

если < I_т.бл или < I_т.бл, наклон характеристики определяется коэффициентом торможения.

На рис. 4.3 приведена характеристика срабатывания (тормозная характеристика) ДТЗ трансформатора.

Дифференциальная отсечка срабатывает при больших токах повреждения в зоне действия защиты с минимальным временем. Отсечка отстраивается от броска тока намагничивания по уставке.

Рис.4.3. Характеристика срабатывания ДТЗ

Для дифференциальной защиты трансформатора выбираются уставки:

- начальный ток срабатывания чувствительного органа ДЗТ при отсутствия торможения ;

- ток начала торможения ;

- коэффициент торможения ;

- ток торможения блокировки ;

- уровень блокировки по второй гармонике ;

- ток срабатывания дифференциальной отсечки.

1. Начальный ток срабатывания ДЗТ (чувствительного органа) при отсутствии торможения определяется по выражению:

; (4.9)

где - коэффициент отстройки, учитывает погрешность реле, ошибки расчетов, запас. Может быть принят равным 1,1 – 1,3.

Ток небаланса согласно [3] определяется как сумма трех составляющих

.

- составляющая небаланса, обусловленная погрешностями трансформаторов тока

,

где - коэффициент, учитывающий переходный процесс, может быть принят равным 1,5÷2,5;

- коэффициент однотипности высоковольтных трансформаторов тока, для защит трансформаторов ;

- полная погрешность трансформаторов тока, зависит от величины сквозного тока и степени насыщения трансформаторов тока;

- сквозной ток КЗ (при внешнем КЗ).

- составляющая небаланса, обусловленная регулированием напряжения:

,

где - относительное значение половины суммарного диапазона регулирования напряжения устройством РПН.

- составляющая небаланса обусловленная погрешностями выравнивания, погрешностью преобразования АЦП и т. д.

,

где - относительная погрешность выравнивания. Задается фирмой-изготовителем. Для терминалов фирмы «ЭКРА» (2%).

Общая формула для определения тока срабатывания дифференциальной защиты по условию отстройки от тока небаланса:

(4.10)

Начальный ток срабатывания чувствительного органа выбирается из следующих соображений. При небольших повреждениях напряжение на шинах не будет сильно снижаться и ток нагрузки не изменится. Ток нагрузки будет являться сквозным током. Переход с горизонтального участка тормозной характеристики на наклонный происходит при тормозном (сквозном) токе ≤ 1. Трансформаторы тока, при токе близком к номинальному, не должны насыщаться, поэтому их погрешность можно принять равной 0,05 (5%).

Начальный ток срабатывания определяется по (4.10) при ; ; ; ; .

о.е. (4.11)

Уставка по начальному току срабатывания регулируется в пределах от 0,02 до 1,0 с шагом 0,01.Типовое значение уставки 0,5.

2. Ток начала торможения принимается равным о.е., за исключением пускорезервных трансформаторов, на которых возможно несинхронное АВР на стороне НН, тогда о.е.

3. Ток торможения блокировки определяется по условию отстройки от максимально возможного сквозного тока нагрузки с учетом перегрузки трансформатора при действии АВР секционного выключателя или АПВ питающей линии:

(4.12)

где - коэффициент отстройки;

- номинальный ток нагрузки;

- коэффициент трансформации ТТ соответствующей стороны;

- базисный ток для этой стороны;

- коэффициент, определяющий предельную нагрузочную способность трансформатора в зависимости от его мощности [8]:

для трансформаторов большой мощности;

для трансформаторов средней мощности;

для трансформаторов распределительных сетей.

Уставка регулируется в пределах от 1,2 до 3,0 с шагом 0,01.

4. Коэффициент торможения. С помощью правильного выбора коэффициента торможения обеспечивается несрабатывание защиты в диапазоне значений от до максимального тока КЗ. Если по защищаемому трансформатору протекает сквозной ток равный максимальному току внешнего КЗ , то дифференциальный ток, равный току небаланса, определяется по выражению

, (4.13)

где - полная погрешность трансформаторов тока в режиме КЗ, равна 0,1 для ТТ класса 10Р и 0,05 для ТТ класса 5Р.

Максимальное значение сквозного тока в относительных единицах равно току внешнего металлического КЗ, приведенному к базисному току стороны внешнего КЗ.

, о.е. (4.14)

При принятом способе формирования тормозного тока по (4.7), тормозной ток равен:

, (4.15)

где - угол между векторами и , при внешнем КЗ он близок к 180°, в расчетах можно принять 180°- = 10°÷20°.

Тогда коэффициент торможения определяется по формуле

, (4.16)

где .

Коэффициент торможения может регулироваться в пределах от 0,2 до 0,7 с шагом 0,01.

5. Уровень блокировки по второй гармонике по опыту эксплуатации принимается равным (15%).

6. Ток срабатывания дифференциальной отсечки выбирается по двум условиям:

- отстраивается от броска тока намагничивания силового трансформатора при включении под напряжение. Обычно принимается

, о.е. ; (4.17)

- отстраивается от максимального первичного тока небаланса при переходном режиме внешнего КЗ:

, (4.18)

где определяется по (4.14); ; .

За ток срабатывания отсечки берется большее значение, получаемое по условиям (4.17) и (4.18). Ток срабатывания отсечки может регулироваться в диапазоне от 6,2 до 12,0 с шагом 0,01.

Коэффициент возврата ДТЗ не менее 0,6.