kт — коэффициент трансформации ТТ защиты.
Базовая схема токовой трехступенчатой защиты, устанавливаемой на отходящей линии электропередачи 10 кВ, показана на рис. 2.14.
Чувствительность первых ступеней защит оценивается по величине зоны действия. Зона действия, как правило, определяется графически.
Чувствительность вторых ступеней может оцениваться по величине зоны действия или по значению коэффициента чувствительности. Если зона действия второй ступени полностью охватывает контролируемую линию, то третья ступень защиты этой линии выполняет только резервные функции. Если же зона действия второй ступени меньше длины контролируемой линии, то третья ступень защиты линии является основной.
Чувствительность третьих ступеней защит оценивается по коэффициенту чувствительности, как у отдельных МТЗ.
2.5. Направленные токовые защиты
Направленная защита — это защита, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности КЗ [2].
В электрических сетях с двухсторонним питанием и в кольцевых сетях обычные токовые защиты не могут действовать селективно. Например, в электрической сети с двумя источниками питания (рис. 2.15), где выключатели и защиты установлены с обеих сторон каждой линии, при повреждении в точке К1 должны выполняться следующие условия выбора выдержек времени срабатывания МТЗ:
tСЗ 2 < tСЗ 3 < tСЗ 4 < tСЗ 5 < tСЗ 6.
При КЗ в точке K2:
tСЗ 1 < tСЗ 2 < tСЗ 3 и tСЗ 4 < tСЗ 5 < tСЗ 6.
При КЗ в точке K3:
tСЗ 1 < tСЗ 2 < tСЗ 3 < tСЗ 4 < tСЗ 5.
Как видно, эти требования противоречивы и не могут быть выполнены в одной системе защит.
Для обеспечения селективного действия токовых защит в этих условиях необходимо использовать дополнительный признак, характеризующий расположение места повреждения относительно защит. В качестве этого признака можно использовать направление мощности КЗ в месте установки защиты.
Для того чтобы обеспечить селективное действие МТЗ, нужно разрешить действовать только тем защитам, направление мощности КЗ в месте установки которых — от шин к линии. Тогда выполнять согласование по времени срабатывания необходимо только для тех защит, которым действие разрешено (рис. 2.16).
С учетом этого, при коротком замыкании в точке К1:
tСЗ 2 < tСЗ 4 < tСЗ 6;
в точке K2:
tСЗ 1 < tСЗ 3 и tСЗ 4 < tСЗ 6;
в точке K3:
tСЗ 1 < tСЗ 3 < tСЗ 5.
При таких условиях требования к соотношению выдержек времени срабатывания отдельных защит, обеспечивающие их селективное действие, не противоречат друг другу. Следовательно, система защиты реализуема.
2.5.2. Реле направления мощности
Для того чтобы определить направление мощности, передаваемой по контролируемой электрической сети, в месте установки защиты используют специальное реле — реле направления мощности. Отечественная промышленность выпускает реле направления мощности двух видов: индукционные (серий РБМ-170 и РБМ-270) и микроэлектронные (типа РМ-11 и РМ-12) [3].
Индукционное реле направления мощности [2, 3] имеет две обмотки, размещенные на полюсах замкнутого стального магнитопровода 1 (рис. 2.17). Одна из них, токовая (4) включается во вторичные цепи ТТ, и ток в ней (Ip) определяется вторичным током ТТ. Вторая — потенциальная (5) — подключается ко вторичной обмотке трансформатора напряжения (ТН), и ток в ней (IH) пропорционален подведенному напряжению (UH). Между полюсами расположен внутренний стальной сердечник 2 цилиндрической формы и алюминиевый ротор 3, имеющий форму стакана. На роторе укреплен контактный мостик 6. При направлении мощности КЗ от шин в линию этот мостик замыкает неподвижные выходные контакты 7 (реле срабатывает). Возврат реле происходит под воздействием противодействующей пружины 8.
Магнитные потоки, создаваемые катушками с соответствующими токами, сдвинуты в пространстве на угол 90°. Взаимодействие потоков с токами, индуктированными ими в роторе, создает вращающий момент, который заставляет ротор поворачиваться. Если магнитные потоки имеют синусоидальную форму, то вращающий момент МВР ~ ФI × ФU × sinΨ. Здесь ФI и ФU — магнитные потоки, создаваемые токовой и потенциальной катушками соответственно; T — электрический угол между магнитными потоками ФI и ФU.
На рис. 2.18 показана векторная диаграмма, поясняющая принцип действия реле. Приняты следующие обозначения: Íp и ÚH — векторы тока и напряжения, подведенных к реле; φр — угол между векторами Íp и ÚH, определяемый параметрами силовой электрической сети и схемой включения реле; ÍH — вектор тока в потенциальной катушке реле; α — угол между векторами ÍH и ÚH (угол внутреннего сдвига), определяемый соотношением активного и реактивного сопротивлений цепи потенциальной катушки.
Учитывая, что ФI ~ Ip, ФU ~ IH ~ UH, а Ψ = α — φр, можно получить:
MBP = kp × UH × IP × sin (α — φр).
В этом выражении kp — постоянный коэффициент, определяемый параметрами реле, а UH × Ip × sin (α − φр) = Sp — мощность на зажимах реле. Следовательно, вращающий момент реле пропорционален мощности: MBP = kp × Sp, то есть реле реагирует на мощность.
Вращающий момент реле равен нулю, когда sin (α — φр) = 0. Отсюда следует, что MBP = 0, если φр = α при отставании и если φр = (α + 180°) при опережении вектором Íp вектора ÚH. Линия, расположенная под этим углом к вектору ÚH, называется линией нулевых моментов или линией изменения знака момента [2, 3].
Угол φр между векторами ÍP и ÚH, при котором вращающий момент имеет максимальное значение, принято называть углом максимальной чувствительности φМЧ. Линия, расположенная к вектору ÚH под углом φМЧ, называется линией максимального момента.
Если внутренний угол α = 0 (рис. 2.19, а), то вращающий момент MBP = kp × UH × Ip × sin (−φр) в реле пропорционален реактивной мощности, подведенной к реле (синусное реле или реле реактивной мощности). Эти реле выполняют так, что MBP положителен, если угол φр < 0 (то есть MBP = kp × UH × Ip × sin φр). Угол максимальной чувствительности для синусного реле φМЧ = 90°.
Если внутренний угол α = 90° (рис. 2.19, б), то вращающий момент
MBP = kp × UH × IP × sin (90 − φр) = kp × UH × IP × cos φр
пропорционален активной мощности, подведенной к реле (косинусное реле или реле активной мощности). Для косинусного реле φМЧ = 0°.
В реле смешанного типа (см. рис. 2.18) угол а может иметь значения от 0° до 90°. У отечественных реле смешанного типа (РБМ-171, РБМ-271) угол а изменяется дискретно: α = 45° (φМЧ = 45°) или α = 60° (φмч = 30°).
Срабатывание реле направления мощности происходит при выполнении условия:
MBP ≥ МПР,
где МПР — противодействующий момент, который определяется силой противодействия возвратной пружины, трением в подшипниках реле и силой нажатия контактов при срабатывании реле.
Поскольку вращающий момент реле пропорционален подведенной к нему мощности, то реле срабатывает при определенном произведении UH × Ip. Минимальное значение мощности на зажимах реле, при котором оно срабатывает, принято называть мощностью срабатывания реле SCP. Для большинства индукционных реле SCP = (0,2 − 4) B × A.
