Что такое максимальная токовая защита и какое у нее назначение

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.

На схемах:

• 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.

ТОКОВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТСЕЧКИ

Токовые направленные отсечки основаны на том же принципе, что и токовые ненаправленные отсечки (см. гл. 5). Реле направления мощности в схеме отсечки не позволяет ей действовать при мощности КЗ, направленной к шинам. Следовательно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки ведется только от токов КЗ, направленных от шин подстанции.
Направленная отсечка применяется в сети с двусторонним питанием, когда ненаправленная токовая отсечка оказывается слишком грубой из-за необходимости отстройки ее от тока КЗ, протекающего с противоположного конца защищаемой ЛЭП к шинам ПС, где установлена отсечка. Вследствие наличия мертвой зоны у РНМ направленная отсечка должна применяться только в условиях, когда простая отсечка не удовлетворяет условию чувствительности.

Принцип работы токовой направленной защиты нулевой последовательности в электрических сетях 110 кВ

В электротехнике есть понятие о симметричных и несимметричных системах фазных токов или напряжений. Симметричная система предусматривает равенство фазных токов (напряжений) трехфазной сети. При этом векторы фазных токов могут стоять относительно друг к другу в прямой, обратной, а также нулевой последовательности (НП).

При прямой последовательности векторы фазных токов идут в последовательности А, В, С, каждая из фаз отстает от другой на 120 гр. Обратная последовательность – чередование фаз А, С, В, угол сдвига фаз тот же – 120 гр. При нулевой последовательности векторы трех фаз совпадают по направлению. Несимметричная система представляется как значение тока – геометрическая сумма векторов всех составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности.

В нормальном режиме работы участка электросети система токов и напряжений является симметричной, то же самое касается межфазных коротких замыканий. В данном случае, как напряжение, так и ток НП равны нулю. В случае возникновения однофазного замыкания на землю система становится несимметричной – возникает ток и напряжение НП.

В данном случае ток (напряжение) одной из фаз нулевой последовательности равен трети суммы векторов несимметричной системы, соответственно сумма векторов несимметричной системы – это тройной ток (напряжение) НП.

Результаты расчетов коротких замыканий в электрических сетях также показывают, что ток однофазного замыкания на землю в электрических сетях равен тройному значению тока НП – 3I0, а напряжение, возникающее между нейтралью трансформатора и точки короткого замыкания – тройному значению напряжения НП – 3U0.

Принцип работы токовой защиты нулевой последовательности заключается в контроле значения 3I0 на линии электропередач и в случае достижения его определенной величины – реализации автоматического отключения выключателя линии электропередач с определенной выдержкой времени.

На практике токи небаланса 3I0 получают на выходе так называемого фильтра токов нулевой последовательности. Данный фильтр получают путем электрического соединения между собой начал и концов обмоток трансформаторов тока каждой из фаз линии.

В нормальном режиме работы участка электрической сети на выходе фильтра токов НП отсутствует ток. В случае возникновения повреждения – падения одного из фазных проводов линии электропередач на землю, возникает небаланс – появляется некоторое значение тока 3I0, значение которого фиксируется на выходе фильтра токов НП.

ТНЗНП, как правило, многоступенчатая защита. Каждая из ступеней защиты имеют свою выдержку времени срабатывания. Для обеспечения селективности работы защит на смежных подстанциях участки электрической сети разделяют на участки (зоны действия). Таким образом, защита обеспечивает защиту линии электропередач, питающейся от подстанции, где установлен данный комплект защит, и выступает в роли резервирующей защиты смежных подстанций.

Существует такое явление, как качания в системе. Если защита от междуфазных КЗ, например, дистанционная защита, может ложно срабатывать при возникновении данного явления, то ложное срабатывание ТНЗНП исключено, так как данная защита реагирует исключительно на возникновение токов нулевой последовательности, возникновение которых нехарактерно для явления качаний в энергосистеме.

Рассматриваемая в статье защита, по сути, является защитой от замыканий на землю, поэтому данная защита имеет альтернативное название – земляная защита (ЗЗ) .

Какие устройства выполняют функцию направленной токовой защиты нулевой последовательности в электрических сетях

Для обеспечения защиты линий электропередач от всех видов повреждений (как однофазных, так и междуфазных коротких замыканий) токовая защита нулевой последовательности реализуется совместно с дистанционной защитой. Устройства, выполняющие функции данных защит, могут быть выполнены, как на реле электромеханического принципа работы, так и на современных устройствах – микропроцессорных терминалах защит.

Среди электромеханических защит приобрели наибольшую популярность комплекты типа ЭПЗ-1636, которые имеют несколько различных модификаций. В современных условиях, при строительстве новых распределительных подстанций или техническом переоснащении старых объектов, преимущество отдается микропроцессорным защитным устройствам. Для реализации резервных защит линий 110 кВ, в том числе и ТНЗНП, часто используются микропроцессорные терминалы производства компании ABB, например, многофункциональное устройство REL650.

Устройство и принцип действия сетей с глухозаземлённой нейтралью

Принцип работы источников электроэнергии, в частности, понижающих трансформаторов основан на законе взаимоиндукции и передаче энергии по магнитному сердечнику. Первичная обмотка при этом может и не иметь нулевого провода, в отличие от вторичной, где соединение его с нулём через проводник с низким сопротивлением, который можно приравнять с нулевым значением, будет являться эффективным средством защиты от поражения человека опасным для его жизни и здоровья напряжением.

Главной особенностью сетей с глухозаземлённой нейтралью является появление не только линейного, но и фазного напряжения. Что это такое и чем оно отличается друг от друга, рассмотрим на примере простой принципиальной схемы.

Фазное напряжение — это потенциал между одним из проводов линии и нулевой точкой, присоединенной к земле, то есть наглухо заземлённой. Линейное напряжение — разница потенциалов между двумя выводами линий, то есть L1 и L2, L1-L3, или же L2-L3, называется оно также межфазное. Такие источники электрической энергии в бытовых условиях имеют распространенное значение напряжения в виде 380 В — линейного, и 220 — фазного. Линейное напряжение больше фазного на √3, то есть на 1,72.

Но основная задача такой системы это не только транспортировка к потребителям напряжений двух значений при разном количестве фаз в одной системе электроснабжения, но и защита человека при пробое изоляции и появлении напряжения в точках, которые в нормальном состоянии не имеют опасного потенциала. В жилых зданиях это:

• корпуса всех бытовых приборов, которые проводят электрический ток, то есть сделаны из стали или другого токопроводящего металла;
• металлоконструкции щитовых и распределительных устройств;
• защитная оболочка кабелей.

Также для обеспечения безопасности все перечисленные выше элементы должны быть заземлены, именно в этом случае опасность от использования напряжения и применения бытовых приборов в сетях с глухозаземлённой нейтралью будет минимальна. При этом для таких цепей обязательна равномерность распределения однофазных нагрузок.

Расчет параметров срабатывания (уставок)

Расчет параметров срабатывания состоит из выбора тока срабатывания защиты /с. з, тока срабатывания реле /с. р и времени срабатывания защиты /с. з.
Ток срабатывания защиты выбирается по следующим условиям, обеспечивающим: несрабатывание (отстройку) от токов, которые могут проходить по заземленной нейтрали обмотки НН трансформатора при несимметрии нагрузки в нормальном режиме;
согласование по току и по времени с защитами элементов, отходящих от сборки НН (на рис. 9-1, а показаны автоматический выключатель АВ со встроенной защитой и плавкий предохранитель Пр)1 необходимые значения коэффициента чувствительности при однофазном к. з. в основной зоне действия (на сборке НН) и в зоне резервирования (на элементах сети НН при отказе их собственной защиты). Максимально допустимый в нормальном режиме ток в заземленной нейтрали обмотки НН для трансформаторов YIY- равен 0,25 /ном гр, для трансформаторов А/У — 0,75 /ном гр. Для обеспечения несрабатывания защиты при появлении таких токов в нейтрали ее ток срабатывания должен быть примерно в 1,5—2 раза выше .
Согласование рассматриваемой защиты трансформатора с защитами элементов, отходящих от сборки на стороне НН (рис. 9-1, а), по Правилам . Однако отсутствие согласования по чувствительности между последующей защитой трансформатора и предыдущими защитами отходящих элементов достаточно часто вызывает неселективное отключение питающего трансформатора при таких к. з., когда защита предыдущего элемента оказывается недостаточно чувствительной (например, к. з. в обмотке электродвигателя или на удаленной сборке). Наилучшие условия для согласования обеспечиваются в тех случаях, когда на относительно мощных элементах 0,4 кВ устанавливается дополнительная токовая защита нулевой последовательности без выдержки времени, действующая на отключение автоматического выключателя (автомата) данного элемента (защита / на рис. 9-1,6). Такая защита предусматривается, например, Теплоэлектропроектом для электродвигателей 0,4 кВ начиная с мощности примерно 100 кВт. При токе срабатывания, выбранном только по первому условию, рассматриваемая защита всегда имеет достаточный коэффициент чувствительности при однофазных к. з. на сборке НН и, как правило, в зоне резервирования, если, разумеется, первичная схема сети НН создана с учетом требований дальнего резервирования.
Время срабатывания защиты нулевой последовательности от к. з. на землю выбирается по возможности минимальным. Если на элементах сети 4 кВ имеется дополнительная защита нулевой последовательности без выдержки времени (реле / на рис. 9-1,6), то защиты нулевой последовательности на вводах 0,4 кВ трансформатора могут иметь tc. з = 0,4 с , а в нейтрали — на ступень селективности выше, т. е. 0,8 с (соответственно защиты 2 и 3 на рис. 9-1,6). Примеры расчета уставок защит трансформаторов этого класса напряжения приведены в работе .

• Назад
• Вперёд

Что такое нулевая последовательность?

Преимущественное большинство сетей получают питание по трехфазной системе. Которая характеризуется тем, что напряжение каждой фазы смещено на 120º.

Рис. 1. Форма напряжения в трехфазной сети

Как видите из рисунка 1 на диаграмме б) показана работа сбалансированной симметричной системы. При этом если выполнить геометрическое сложение представленных векторов, то в нулевой точке результат сложения будет равен нулю. Это означает, что в системах 110, 10 и 6 кВ, для которых характерно заземление нейтралей трансформаторов, при нормальных условиях работы, какой-либо ток в нейтрали будет отсутствовать. Также следует отметить, что геометрически смена фаз может подразделяется на такие виды:

• прямой последовательности, при которой их чередование выглядит как A – B – C;
• обратной последовательности, при которой чередование будет C – B – A;
• и вариант нулевой последовательности, соответствующий отсутствию угла сдвига.

Для первых двух вариантов угол сдвига будет составлять 120º.

Рис. 2. Прямая, обратная и нулевая последовательность

Посмотрите на рисунок 2, здесь нулевая последовательность, в отличии от двух других, показывает, что векторы имеют одно и то же направление, но их смещение в пространстве между собой равно 0º. Подобная ситуация происходит при однофазном кз, при этом токи двух оставшихся фаз устремляются в нулевую точку. Также эту ситуацию можно наблюдать и при междуфазных кз, когда две из них, помимо нахлеста, попадают еще и на землю, а в нуле будет протекать ток лишь одной фазы.

При возникновении трехфазных кз в нейтрали обмоток ток не будет протекать, несмотря на аварию. Потому что токи и напряжения нулевой последовательности по-прежнему будут отсутствовать. Несмотря на то, что фазные напряжения и токи в этой ситуации могут в разы возрасти, в сравнении с номинальными.

Принцип работы ТЗНП

Практически все релейные защиты, действие которых отстраивается от появления токов нулевой последовательности, имеют схожий принцип. Рассмотрите вариант такой схемы, демонстрирующей действие защиты.

Принципиальная схема простейшей ТЗНП

Здесь представлен вариант включения реле тока Т, которое подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТ), собранных в звезду. В данной ситуации нулевой провод от звезды обмоток трансформаторов отфильтровывает составляющие нулевой последовательности, в случае их возникновения. При условии, что система работает симметрично, обмотки реле Т будут обесточенными. А при условии, что в одной из фаз произойдет замыкание на землю, ТТ отреагирует на это, из-за чего по нулевому проводу потечет ток. Это и будет та самая составляющая нулевой последовательности, из-за которой произойдет возбуждение обмотки реле Т.

После чего происходит выдержка времени, определяемая параметрами реле В. При истечении установленного промежутка времени токовая защита посылает сигнал на соответствующую коммутационную установку У. Которая и производит отключение трехфазной сети. Более сложные варианты схемы могут включать и реле мощности, которое позволяет отлаживать работу защиты по направлению.

В случае междуфазных повреждений симметрия не нарушиться, а лишь измениться величина токов. А ТТ будут продолжать компенсировать токи, стекающиеся в нулевой провод. Преимущество такой схемы заключается в том, что при максимальных рабочих токах, все равно не будет срабатывать защита, поскольку будет сохраняться симметрия.

Но при существенном отличии в магнитных параметрах измерительных трансформаторов, произойдет дисбаланс в системе, и по нулевому проводнику будет протекать ток небаланса. Что может обуславливать ложные срабатывания токовой защиты даже в тех сетях, где соблюдается номинальный режим питания.

Правила подборки трансформаторов тока.

С целью снижения небаланса, влияющего на правильность срабатывания токовой защиты, подбирают такие ТТ, у которых вторичные токи не создадут перетоков. Для чего они должны соответствовать таким требованиям:

• Обладать идентичными кривыми гистерезиса;
• Одинаковая нагрузка вторичных цепей;
• Погрешность на границе участков сети не должна превышать 10%.

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.

Токи небаланса

Правильное сложение токов возможно только в случае полной идентичности характеристик трансформаторов тока. На этапе проектирования для защиты обязательно выбираются одинаковые обмотки трансформаторов с одинаковым классом точности, кратностью насыщения.

Но и этого может оказаться недостаточно. Если при всем при этом характеристики намагничивания оказываются разными, ток небаланса все-таки появляется. Если в нормальном режиме он не приводит к ложному срабатыванию защиты, то при симметричных КЗ, когда токи становятся в несколько раз большими, ток небаланса существенно возрастет.

Поэтому при замене трансформаторов тока, если не удается подобрать аналог для одного из них с полным соответствием вольт-амперных характеристик, то лучше сменить не один или два, а все три.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

• защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
• измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
• промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
• лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Также читайте: Трёхфазный силовой трансформатор — ТМЗ Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

• для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;

  Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)

• внутренние – применяемые внутри помещений;

  ТТ для установки внутри помещений

• встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).

  Встроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

• одновиткового исполнения;
• многовитковые;
• шинные.

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

• проходной;
• опорный.

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

• одноступенчатого,
• двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Токи нулевой последовательности

Систему трехфазных токов и напряжений можно представить в виде векторной диаграммы, где векторы этих токов (напряжений) в нормальном режиме сдвинуты друг относительно друга в пространстве на одинаковый угол, равный 120 градусов. При этом полученная диаграмма является еще и вращающейся относительно условного наблюдателя: сначала мимо него проходит вектора фазы «А», затем «В», потом «С». И так – по кругу. Эту диаграмму принято называть системой токов (напряжений) прямой последовательности.

Ток или напряжение нулевой последовательности получается, если все эти векторы сложить между собой. Для этого, если вспомнить геометрию, нужно начало второго вектора совместить с концом первого, затем так же добавить к нему третий. Поскольку угол между ними остается равным 120 градусов, то получим равносторонний треугольник, система замкнется. Результирующий вектор, определяющий сумму всех слагаемых, будет равен нулю. Он должен быть проведен от начала первого суммируемого вектора к концу последнего.

Интересное видео о работе ТЗНП смотрите ниже:

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Требования к схемам. Реле направления мощности включаются, как правило, на фазный ток и междуфазное напряжение. Сочетание фаз тока и напряжения реле, называемое его схемой включения, должно быть таким, чтобы реле правильно определяло знак мощности КЗ при всех возможных случаях и видах повреждений, и чтобы к РНМ подводилась возможно большая мощность.
Мощность Sр, как это следует из (7.1), может иметь недостаточное для действия РНМ значение при КЗ, близких к месту установки реле, за счет снижения напряжения Uр или при неблагоприятном значении угла φр, при котором sin(α – φр) равен или близок к нулю. Отсюда следует, что, во-первых, РНМ должно включаться на такое напряжение, которое при близких КЗ не снижается до нуля, и, во-вторых, напряжение и ток, подводимые к реле, должны подбираться так, чтобы угол сдвига между ними φр в условиях КЗ не достигал значений, при которых мощность на зажимах реле приближается к нулю.