Принцип действия МТЗ. Одним из наиболее характерных признаков возникновения КЗ, а также нарушений нормального режима работы электроустановок является резкое увеличение тока (появление сверхтока), который становится значительно больше тока нагрузки.

На рис. №1 показан принцип действия МТЗ.

К реле МТЗ через трансформатор тока ТА подводится ток, проходящий по защищаемому элементу (линии W). При нормальных значениях тока нагрузки защита не действует, но когда ток увеличивается и достигает заранее установленных значений, защита сработает и отключит выключатель Q. Значение тока, при котором происходит срабатывание защиты, называется током срабатывания.

Первым требованием МТЗ является правильное выявление момента возникновения повреждения в защищаемой цепи.

Появление сверхтока в каком – либо элементе не всегда является признаком повреждения именно этого элемента, так как сверхток проходит не только по повреждённому элементу, но и по связанным с ним неповреждённым элементам. На рис. №2 показана схема электросети, состоящая из трёх последовательно соединённых участков.

При КЗ в точке К сверхток I_к проходит от источника питания Е к месту повреждения как по повреждённому участку I, так и по неповреждённым участкам II и III. Если сверхток превысит ток срабатывания, то сработают МТЗ всех трёх участков. В результате такого действия будут отключены не только повреждённый, но и не повреждённые участки электросети, что недопустимо. Правильная ликвидация аварии будет иметь место лишь в том случае, если сработает МТЗ первого участка и отключит выключатель ближайший к месту повреждения Q₁.

Вторым требованием МТЗ является избирательность или селективность. МТЗ должны участков электросети должны иметь различное время срабатывания, возрастающее в направлении к источнику питания. Время срабатывания защиты от момента возникновения сверхтока до воздействия на выключатель – выдержка времени. В рассмотренном примере МТЗ состоит из двух органов: пускового, который выявляет момент КЗ и производит пуск защиты, и замедляющего органа (орган выдержки времени), который замедляет действие защиты для обеспечения селективности.

В качестве пусковых органов МТЗ используются реле увеличения тока (максимальные токовые реле), а в качестве замедляющего органа – реле времени. Токовые реле типов РТВ, РТ – 80, РТ – 90 содержат в себе оба органа. Поэтому МТЗ, выполняемая с помощью этих реле, называется МТЗ с зависимой характеристикой времени срабатывания. При использовании в качестве пусковых органов МТЗ токовых реле мгновенного действия типа РТ – 40 или ЭТ – 520 выдержка времени создаётся отдельными реле времени типа ЭВ или РВМ. Время срабатывания МТЗ, выполненной с помощью этих реле, не зависит от тока КЗ, так как реле времени срабатывают с одним и тем же установленным на них временем срабатывания. Защита такого типа называется МТЗ с независимой характеристикой времени срабатывания.

МТЗ является наиболее простой и дешёвой защитой и поэтому широко применяется для защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей и линий электропередачи с односторонним, а в ряде случаев и с двухсторонним питанием.

Размещение МТЗ. Ток КЗ проходит от источника питания к месту КЗ. Поэтому, чем ближе к источнику питания расположена защита, тем больше зона, при повреждении в которой защита приходит в действие.

На рис. №3 показана схема размещения МТЗ для защиты понижающего трансформатора.

Если для защиты трансформатора ТА и защиту МТЗ установить со стороны обмотки ВН, т.е. со стороны источника питания Е, то в зону защиты войдут: кабели, вводы и обмотки трансформатора, выключатель Q2, шины низкого напряжения А₂. Если ТА и МТЗ установить со стороны обмотки НН, то в зоне защиты окажутся только Q2 и шины А₂. Поэтому МТЗ следует устанавливать со стороны источника питания и по возможности ближе к нему.

Место установки МТЗ зависит также от схемы соединения электроустановки или электросети. На рис.№4 показана схема размещения МТЗ питающих линий и электрооборудования приёмных подстанций.

От подстанции П отходят две кабельные линии: по линии W1 питается подстанция П1 с одним электродвигателем М, а по линии W2 – подстанция П2 с двигателем М и трансформатором Т. Для защиты линий на них со стороны подстанции П устанавливаются МТЗ 1 и МТЗ 2. На электродвигателе М подстанции П1 отдельную защиту можно не устанавливать, т.к. он входит в зону защиты МТЗ 1, а сточки зрения правильности ликвидации аварии не имеет значения , каким выключателем, Q или Q1, будет отключен электродвигатель при его повреждении.

В случае питания от подстанции П2 двух и более элементов МТЗ должна устанавливаться как на линии со стороны источника питания, так и на всех элементах электрооборудования, подключенных к шинам приёмной подстанции.

На рис.№5 показан пример размещения МТЗ в радиальной сети с односторонним питанием от электростанции с генераторами G1 и G2. Для защиты электродвигателей М на каждом из них устанавливается МТЗ с действием на отключение своих выключателей Q1.

На трёхобмоточных трансформаторах МТЗ, как правило, устанавливается со стороны каждой обмотки. Защита II со стороны НН защищает шины А1 и, кроме того, может действовать при повреждении электродвигателя в случаях, если откажет его защита I или выключатель Q1. Таким образом, защита II имеет два защищаемых участка – основной, в который входят шины А1, и резервируемый, в который входят электродвигатели М. В соответствии с этим защита II является основной для шин А1 и резервной для электродвигателя М.

Аналогичные функции выполняет защита IV в отношении шин среднего напряжения А2 и линии W2. Защита III со стороны ВН является основной для Т2 и резервной для шин А1 и А2. Если, учитывая наличие защиты III, отказаться от установки защит II и IV, то при повреждении, например, на шинах А1 будет отключаться трансформатор от защиты III и при этом кроме повреждённых шин А1 останутся без напряжения неповреждённые шины А2 и линия W2, что недопустимо. Неправильно будет ликвидирована авария и при повреждении на шинах А2.

На линии W1 защиту VI можно устанавливать только со стороны источника питания с действием на отключение выключателя Q6. Эта защита будет основной для линии W1 и шин А3, а так же резервной для Т2 и линии W3. Установка защиты только на одном конце линии создаёт неудобство в эксплуатации, которое заключается в том, что после срабатывания защиты VI и отключения линии W1выключателем Q6 персонал должен выяснить, где произошло повреждение – на линии W1 или на шинах А3. На Т1 защиту VII достаточно установить только со стороны НН с действием на отключение Q7, которая будет основной защитой для Т1 и шин А4, а также резервной защитой для линий W1,W4. Последние комплекты МТЗ VIII устанавливаются на генераторах G1, G2. Они являются основной защитой для генераторов и шин А5, а также резервной защитой для Т1 и линии W5.

Трёхфазная схема требует установки трёх ТТ трёх токовых реле. На рис.№6 показана трёхфазная схема включения пусковых реле МТЗ.

Первичные обмотки ТА включаются в фазы А,В,С защищаемого элемента, а вторичные соединяются в звезду. К выводам вторичных обмоток подключены реле, обмотки которых соединяются также в звезду. Провода, соединяющие выводы вторичных обмоток ТА и реле называются фазными, а провод, соединяющий нулевые точки – нулевым нейтральным проводом.

В реле трёхфазной схемы проходит тот же ток, что и во вторичных обмотках ТА:

I_p = I₂

Поэтому коэффициент схемы, представляющий собой отношение тока в реле к току во вторичных обмотках ТА, равен единице:

k_CX = I_P/I₂ = 1.

Трёхфазная схема реагирует на все виды междуфазных и однофазных КЗ, имея при этом равную чувствительность. Недостаток этой схемы – относительно большое количество оборудования и соответственно большая стоимость, чем у других схем. Недостатком трёхфазной схемы является также возможность неселективного действия при замыкании на землю разных фаз в двух точках сети с изолированной нейтралью. Если защиты имеют одинаковые выдержки времени, то одновременно отключаются обе линии. В то же время по условиям работы сети с изолированной нейтралью достаточно отключить только одно место замыкания на землю. Учитывая отмеченные недостатки и то, что в сети с изолированной нейтралью однофазных КЗ не бывает, а в сети с заземлённой нейтралью для защиты от однофазных КЗ применяется специальная защита с токовыми реле, включенными на фильтр тока нулевой последовательности, трёфазная схема имеет ограниченное применение.

Двухфазная схема с соединением ТТ в неполную звезду. Рассматриваемая двухфазная схема требует установки двух ТТ и двух или трёх реле в зависимости от условий применения.

На рис.№7 показана двухфазная двухрелейная схема, которая получила наибольшее применение.

Схема реагирует на все виды междуфазных КЗ, но поскольку ТТ установлены не во всех фазах, схема не может быть использована для защиты от однофазных КЗ. Коэффициент схемы также равен единице.

Чувствительность двухфазной схемы можно повысить установкой третьего реле, включенного в нейтральный провод (рис.№8). В нейтральном проводе проходит геометрическая сумма фазных токов

_N = a + c.

Ток в нейтральном проводе равен по величине току, проходящему по фазе, не имеющей ТТ. Поэтому дополнительное реле будет иметь в 2 раза большую чувствительность, чем реле фаз А и С.

На рис.№9 показана двухфазная однорелейная схема с соединением ТТ на разность токов двух фаз. Эта схема наиболее экономична, так как требует установки двух ТТ и только одного реле. Первичные обмотки ТА включаются в две фазы защищаемого элемента, а вторичные обмотки соединяются на разность токов. К точкам соединения вторичных обмоток подключается обмотка токового реле. Ток равен геометрической разности вторичных токов.

Коэффициент схемы на рис.№9 составляет:

Одним из недостатков однорелейной схемы является её различная чувствительность при разных видах КЗ:

Трёхфазное КЗ – I_p⁽³⁾ = 1,73I₂;

Двухфазное КЗ – I_p⁽²⁾ = 2I₂.

Другим весьма существенным недостатком схемы является отказ в действии при одном из трёх возможных видов трёхфазного КЗ за трансформатором с соединением обмоток звезда – треугольник. При двухфазном КЗ между фазами со стороны треугольника токи в этих же фазах со стороны звезды равны по значению и имеют одинаковое направление. Поэтому ток в реле равен нулю. Эта схема применяется в основном для защиты электродвигателей.

Ток срабатывания пусковых токовых реле МТЗ выбирается таким, чтобы обеспечить выполнение следующих условий:

-Защита не должна приходить в действие при прохождении по защищаемому элементу максимального тока нагрузки;

-Защита должна надёжно действовать при КЗ на защищаемом участке и иметь коэффициент чувствительности не менее 1,5;

-Защита, как правило, должна действовать и при КЗ на смежном (резервируемом) участке и иметь коэффициент чувствительности в конце этого участка не менее 1,2.

Для выполнения первого условия ток срабатывания должен быть больше максимального тока нагрузки. Однако выполнения одного этого требования недостаточно для того, чтобы надёжно отстроиться от максимального тока нагрузки. Для выяснения условий отстройки пусковых органов МТЗ от максимального тока нагрузки рассмотрим поведение защиты I, установленной на подстанции П1 на линии W1(рис.№10.), когда ток нагрузки, проходящий по линии W1 и равный сумме токов нагрузок подстанций П2 и П3, имеет максимальное значение. При возникновении КЗ в точке К на линии W2 ток КЗ проходит от источника питания к месту КЗ как по повреждённой линии, так и по линии W1. При этом придут в действие защита II, установленная на повреждённой линии, и защита I на линии W1, поведение которой рассматривается. После отключения повреждённой линии W2 ток КЗ прекратится и по линии W1 будет вновь проходить максимальный ток нагрузки. При этом новое значение максимального тока нагрузки может значительно превышать ток в доаварийном режиме за счёт того, что при восстановлении напряжения после отключения КЗ происходит самозапуск электродвигателей, которые при этом потребляют повышенные (пусковые) токи. В этих условиях пусковые токовые реле защиты I, сработавшие в момент возникновения КЗ, должны вернуться в исходное положение до того, как истечёт выдержка времени защиты, что обеспечивается только в том случае, если ток возврата пусковых токовых реле будет больше максимального тока нагрузки послеаварийного режима. Увеличение тока нагрузки в результате самозапуска электродвигателей учитывается коэффициентом самозапуска k_З.

Таким образом, для выполнения первого условия необходимо, чтобы

I_В.З. = k_Hk_зI_H,max, где – k_H коэффициент надёжности отстройки.

Известно, что ток возврата и ток срабатывания связаны между собой коэффициентом возврата следующим образом

k_B = I_в.з./I_с.з.

Отсюда ток возврата выразим

I_в.з. = k_BI_c.з.

Тогда получим

k_BI_с.з. = k_Hk_ЗI_H,max.

Теперь получим окончательную формулу для расчёта тока срабатывания пусковых токовых реле МТЗ:

, где k_H принимаем равным 1,1 – 1,25: k_З составляет 2 -3.

Вторичный ток срабатывания, т.е. уставка пусковых токовых реле, определим по формуле:

, где К₁ – коэффициент трансформации ТТ; k_СХ – коэффициент схемы, равный 1 для схем соединения в полную и неполную звезду и 1,73 для схем соединения ТТ в треугольник и на разность токов двух фаз.

При определении максимального тока нагрузки необходимо исходить из наиболее тяжёлых, но реальных режимов работы оборудования. Для защиты параллельных линий в качестве максимального тока нагрузки на каждую линию принимают суммарную максимальную нагрузку обеих линий с тем, чтобы при аварийном отключении одной из них вторая не отключалась от перегрузки.

Для защиты параллельно работающих трансформаторов максимальный ток определяют с учётом максимального количества работающих параллельно трансформаторов.

При выборе тока срабатывания необходимо учитывать коэффициент самозапуска, если он неизвестен, то принимают равным 4 номинальным токам защищаемого оборудования.

После определения тока срабатывания защиты проверяется выполнение второго и третьего условий, которые определяются коэффициентами чувствительности действия защиты в режиме, когда токи КЗ имеют минимальные значения (I_k,min).

k_Ч=I_k,min./I_С.З.

При расчёте k_ч защиты, включенной на разность токов двух фаз, минимальный ток КЗ определяется при двухфазном КЗ между фазами, на одной из которых нет ТТ, так как в этом случае через реле защиты проходит меньший ток КЗ. При расчёте k_ч для случая КЗ за трансформатором с соединением обмоток звезда – треугольник минимальный ток КЗ определяется при двухфазном КЗ, когда в фазах с ТТ проходит ток, в 2 раза меньший, чем в фазе без ТТ.