Особенности выполнения дифференциальной защиты шин

Релейная защита шин станций и подстанций

Системы шин распределительных устройств находятся в относительно благоприятных условиях эксплуатации (по сравнению с линиями). Они расположены на территории станции или подстанции и защищены от грозовых перенапряжений. Часто распределительные устройства выполняются закрытыми, однако и в таких условиях возможны повреждения:

- поломки трансформаторов тока и напряжения, расположенных между выключателями и шинами;

- перекрытие шинных изоляторов и вводов выключателей (особенно зимой);

- поломка изоляторов, выключателей, разъединителей от электродинамических усилий или при неправильных действиях персонала;

- отказ в срабатывании реле тока при низких температурах.

И, хотя вероятность повреждения невелика, последствия могут быть очень тяжелыми. КЗ на шинах часто сопровождается отключением целой подстанции или даже электростанции. Поэтому любое повреждение на шинах должно быть устранено как можно быстрее. Для этой цели часто используются резервные защиты питающих элементов - линий, трансформаторов, генераторов. Обычно это МТЗ или дистанционные защиты. Эти защиты могут быть и основными, и единственными, если шины подстанции питаются от одного источника и несекционированы. В основном такое решение применяется на маломощных подстанциях.

Если к шинам присоединено несколько источников или имеется две системы сборных шин, или сборные шины секционированы секционным выключателем, отключение КЗ резервными защитами получается неселективным.

В таких случаях применяются специальные защиты: токовые и дифференциальные.

Токовые защиты

В случае если от секционированных шин подстанции с включенным секционным выключателем отходят реактированные линии, защиту шин можно выполнить в виде токовой мгновенной отсечки (рис.67).

Ток срабатывания защиты выбирается больше тока КЗ за реактором. Защита действует на отключение секционного выключателя без выдержки времени.

При наличии не реактированных линий (рис.68) применяются токовые отсечки с выдержкой времени и МТЗ. Ток срабатывания и выдержка времени выбирается из условия отстройки от тока срабатывания и выдержки времени защит потребителей, например, защит отходящих линий.

 

 

Рис.67

 

 

Рис.68

 

Время срабатывания защиты выбирается больше времени срабатывания защиты потребителей.

Для токовой отсечки:

;

,

где t_сз1 – время срабатывания защиты потребителей.

Для МТЗ:

;

.

 

Защиты действуют на отключение секционного выключателя. Отключение трансформатора происходит под действием его резервной защиты.

Токовая защита применяется на шинах напряжением 6-10 кВ и как исключение 35 кВ.

Дифференциальная защита

Для защиты шин напряжением 110 кВ и выше (а в ответственных случаях для шин 35 кВ) применяется полная дифференциальная защита.

Защита шин генераторного напряжения осуществляется неполной дифференциальной защитой.

Принцип действия полной дифференциальной защиты шин основан на сравнении геометрической суммы токов приходящих и отходящих от шин.

 

Рис.69. Схема дифференциальной защиты шин

В нормальном режиме эта сумма равна нулю (рис.69):

;

S I = 0.

При КЗ на отходящей линии сумма также равна нулю (точка К1):

;

S I = 0.

При КЗ на шинах (точка К2) ток отличен от нуля:

;

.

Для выполнения защиты на всех присоединениях устанавливают трансформаторы тока, обмотки которых соединяются параллельно.

Особенности выполнения дифференциальной защиты шин

1. Для правильной работы защиты необходимо чтобы трансформаторы тока всех присоединений имели одинаковые коэффициенты трансформации.

2. Так как трансформаторы тока находятся в неодинаковых условиях, то имеет место большой ток небаланса.

Для уменьшения тока небаланса принимают следующие меры:

- применяют трансформаторы тока класса Д, имеющие не насыщающийся сердечник;

- уменьшают сопротивление соединительных проводов, завышая их сечение.

- дифференциальную схему собирают непосредственно на распределительном устройстве, а к реле протягивают лишь два провода;

- применяют реле с БНТ или торможением.

Ложное отключение шин дифференциальной защитой приводит к серьезной аварии. Под ложным имеется ввиду отключение, например, из-за обрыва соединительных проводов. В схеме защиты (рис.70) предусмотрена блокировка, осуществляющая вывод ее из действия в случае неисправности токовых цепей. Блокировка осуществляется с помощью токового реле нулевой последовательности КАо, включенного в нейтральный провод цепей защиты. В случае обрыва провода одной из фаз плеча любого присоединения несбалансированный ток фазы, пройдя через нулевой провод, вызовет срабатывание реле КАо, которое подаст «+» на обмотку реле времени КТ. Последнее, сработав, подаст «+» на обмотку промежуточного реле KL1. Это реле самоудерживается через свой нижний замыкающий контакт, а размыкающим (верхним) снимает «+» с контактов токовых реле, выводя защиту из действия. Возврат блокировки в исходное положение осуществляется с помощью кнопки SB1.

 

 

Рис.70

 

Кроме токового реле КАо, для контроля за исправностью токовых цепей предусмотрен миллиамперметр PA, установленный в нулевом проводе защиты. Нормально кнопка этого прибора зашунтирована кнопкой SB2, которая размыкается при производстве замеров. Эти замеры раз в смену производит оперативный персонал, проверяя не превышает ли ток небаланса допустимую норму.

Недостаток рассмотренной блокировки состоит в том, что она не работает при обрыве соединительных проводов всех трех фаз. Для исключения этого недостатка в качестве пускового реле используют реле типа РТ-40/Р, каждая обмотка которого включается последовательно с обмоткой реле защиты шин. Эта блокировка будет работать при любом нарушении одного из плеч токовых цепей.

При повреждении на шинах сработает КА1 – токовое реле типа РНТ. Через промежуточное реле KL2 оно действует на отключение выключателей Q₁, Q₂ и Q₃. Использование реле с БНТ позволяет лучше отстроиться от токов небаланса и предотвратить ложное срабатывание защиты при внешних КЗ.

Ток срабатывания пусковых токовых реле в схеме полной дифференциальной защиты шин выбирается большим по двум условиям:

1) отстройки от максимального тока нагрузки наиболее нагруженного присоединения, что необходимо для предотвращения ложного сра­батывания дифференциальной защиты шин при обрыве токовых це­пей:

,

где - коэффициент надежности, равный1,1-1,2;

2) отстройки от максимального тока небаланса в дифференциальной защите при внешнем КЗ на одном из присоединений:

 

где - расчетный ток небаланса; - коэффициент отстройки от апериодической сотавляющей тока КЗ в переходных режимах (при выполнении защиты на реле РНТ-560 =1; =1,5).

Чувствительность пусковых реле защиты должна проверяться при минимальном токе КЗ на шинах в реальном режиме работы. Коэффициент чувствительности должен быть не меньше 2. В режиме опробования шин коэффициент чувствительности может быть понижен до 1,5.

На электростанциях и подстанциях с реактированными линиями для защиты шин 6-10 кВ применяется неполная дифференциальная защита. Основное ее отличие от полной дифференциальной защита в то, что она, включается на сумму токов всех источников питания (рис. 71). Пусковые органы защиты - реле тока KA1 и KA2 - включены на токи генератора, трансформатора связи с системой и секционного выклю­чателя. Защита шин обычно выполняется в двухфазном исполнении, так как применяется для сетей 6 - 10 кВ, работающих с изолирован­ной нейтралью.

 

 

Рис. 71. Схема неполной дифференциальной защиты шин

 

Неполная дифференциальная защита шин с генераторами мощностью до 60 Мвт обычно выполняется двухступенчатой: первая ступень - токовая отсечка, предназначенная для действия при КЗ на шинах; вторая ступень - максимальная токовая защита, предназначенная резервирования защиты отходящих линий при КЗ за реакторами. При КЗ на сосед­ней секции, в генераторе или трансформаторе защита в действие не приходит, так как в реле при этом будет попадать только ток на­грузки, а ток КЗ в реле не попадет.

При КЗ за реактором линии в реле защиты проходит ток, равный сумме тока КЗ и тока нагрузки остальных неповрежденных линий данной секции. Для предотвращения срабатывания первой ступени защиты шин в этом случае ее ток срабатывания выбирается по сле­дующему условию:

,

где - коэффициент надежности, равный1,2; - коэффициент нагрузки, учитывающий увеличение тока нагрузки за счет торможения и самозапуска двигателей вследствие снижения напряжения при КЗ за реактором, принимается равным 1,2; - максимальный первичный ток КЗ при повреждении за реактором защищаемой линии; - суммарный ток нагрузки питаемых линий, присоединенных к защищаемой секции шин при работе всех секций; - суммарный дополнительный ток нагрузки линий при отключении одной из секций.

Ток срабатывания вто­рой ступени - максимальной токовой защиты отстраивается от максимального тока нагрузки все питаемыхединенных к защищаемой секции. При этом рассматриваются режимы, когда ток нагрузки будет максимальным:

1) после отключения КЗ за реактором одной из питаемых линий, присоединенных к защищаемой секции шин в том случае, когда ее нагрузка была увеличенной в результате отключения другой секции шин:

,

где - коэффициент возврата, принимаемый равным 0,8;

2) в момент переключения от устройств АВР приемных подстанций нагрузки отключенной секции на защищаемую

,

где - коэффициент самозапуска.

 

Первая ступень защиты шин действует без выдержки времени на отключение всех источников питания, за исключением генерато­ров, отключение которых осуществляется их токовыми защитами. Вторая ступень защиты действует с выдержкой времени, отстроен­ной от максимальной выдержки времени защит отходящих линий, на отключение трансформаторов, секционных и шиносоединитель-ных выключателей. Обычно на второй ступени защиты предусматри­вается также и вторая выдержка времени, с которой она действует на отключение генераторов, подключенных к поврежденной секции шин, если после отключения трансформаторов, секционных и шино-соединительных выключателей КЗ не устранилось.

Чувствительность первой ступени защиты, подсчитанная при металлическом двухфазном КЗ на шинах подстанции, должна быть не меньше 1,5. Коэффициент чувствительности второй ступени за­щиты шин, определенный при металлическом двухфазном КЗ за реактором, должен быть не менее 1,2.

Для защиты шин с генераторами мощностью 63-100 Мвт применяется неполная дифференциальная защита с использованием комбинированной отсечки по току и напряжению.

Первичный ток срабатывания защиты выбирается по следующим условиям:

1) отстройки от максимального рабочего тока защищаемой секции шин:

;

2) отстройки реле от тока небаланса и подпитки от асинхронных и синхронных электродвигателей при внешнем КЗ:

,

где - ток небаланса при переходном режиме внешнего КЗ в максимальном режиме работы станции; - начальный суммарный ток подпитки от асинхронных электродвигателей, подключенных к данной секции при работе всех секций при внешнем КЗ; - сверхпереходный ток подпитки от синхронных двигателей в тех же условиях; - коэффициент надежности, учитывающий погрешности реле и необходимый запас; принимается равным1,5; - коэффициент, учитывающий отстройку от тока подпитки асинхронных двигателей; принимается равным0,6; - коэффициент надежности, учитывающий подпитку от быстрозатухающего тока подпитки синхронных электродвигателей; принимается равным1,2.

Расчетным является условие, по которому ток срабатывания защиты имеет наибольшее значение.

Напряжение срабатывания защиты определяется по условию отстройки от минимального напряжения на защите, появляющегося при КЗ за реактором на питаемых линиях, при токе в защите равном току срабатывания токовых реле:

,

где - ток срабатывания реле тока комбинированной отсечки; - сопротивление реактора расчетной питаемой линии, подключенной к защищаемой секции;

=1,3.

Минимальный коэффициент чувствительности при замыкании замыкании между двумя фазами на шинах в минимальном режиме должен быть не менее 1,5.