10. Защиты сборных шин

На сборных шинах распределительных устройств электростанций и подстанций могут возникать такие же повреждения, как и на линиях: однофазные и междуфазные к.з. – в сетях с заземлённой нейтралью; междуфазные к.з. и замыкания на землю – в сетях с изолированной нейтралью. Поэтому, на сборных шинах, как правило, устанавливаются специальные защиты шин предназначенные для отключения без выдержки времени повреждений, возникающих на шинах.

При отсутствии специальной защиты сборных шин повреждения на шинах будут отключаться с выдержкой времени резервными защитами линий, установленными на соседних подстанциях.

Так, например, при к.з. на шинах подстанции А (рис. 11-1,а) подействуют резервные защита на подстанции Б и отключат выключатель В-2, отделяя повреждённый от остальной части.

Замедление в отключении приведёт к увеличению размеров повреждения в месте к.з., а в кольцевых сетях может привести к нарушению устойчивости параллельной работы. Поэтому сборные шины распределительных устройств напряжением 110 кВ и выше в кольцевых сетях с многосторонним питанием, как правило, оснащаются специальными быстродействующими защитами сборных шин.

На тупиковых подстанциях защита шин распределительных устройств обычно не устанавливается, а повреждения, возхникающие на шинах, отключаются резервными защитами линий на питающих подстанциях.

Специальные защиты шин позволяют селективно отключать повреждённый участок и предотвращать излишние нарушения электроснабжения дополнительных подстанций. так, например, в случае к.з. на шинах подстанции В (в схеме на рис. 11-1, б) при срабатывании резервных защит и отключении выключателя В-4 одновременно с повреждённой подстанцией будет отключён и трансформатор Т, подключённый ответвлением к линии. При наличии на подстанции В специальной быстродействующей защиты шин рассматриваемое повреждение будет отключаться выключателем В-3 и питание трансформатора Т сохранится от подстанции Г.

Рис. 11-1. Схема электрических соединений для пояснений назначения защиты шин.

Таким образом, специальные защиты сборных шин необходимо применять для ускорения отключения повреждений и повышения селективности.

В качестве защит шин могут использоваться: токовая отсечка, дистанционная защита, а также продольная дифференциальная защита.

В настоящее время в качестве быстродействующей и селективной защиты шин наибольшее распространение получила продольная дифференциальная защита.

1. Продольная дифференциальная защита шин

Продольная диф. защита шин основывается на том же принципе, что и рассмотренные ранее дифференциальные защиты линий, генераторов и трансформаторов, т.е. на сравнении величины и фазы токов присоединений подключенных к сборным шинам.

Для выполнения продольной диф. защиты шин на каждом присоединении устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации, их вторичные обмотки соединяются между собой параллельно и к ним подключается токовое (дифференциальное) реле.

Принцип действия дифференциальной защиты шин показан на рис. 11‑2.

Рис. 11-2. Схемы поясняющие принцип действия дифференциальной защиты шин

а) токораспределение в цепях защиты при к.з. на шинах;

б) токораспределение в цепях защиты при внешнем к.з.

При к.з. на шинах (в зоне действия диф. защиты) в реле протекает суммарный ток, под действием которого реле срабатывает:

где:
nT	-	коэффициент трансформации трансформаторов тока
I1,I2, I3		-	токи в линиях (присоединениях)

При внешнем к.з. и в нормальном режиме по части присоединений токи направлены к шинам, по другой части – от шин, а суммарный ток равен нулю. Однако, в реальных условиях через реле будет протекать ток небаланса, вызываемый погрешностями трансформаторов тока. Поскольку токи нагрузки меньше токов к.з. величина тока небаланса в нормальном режиме значительно меньше, чем при внешнем к.з.

Поэтому ток срабатывания защиты должен выбираться больше максимального тока небаланса при внешнем к.з.:

I_с.з.>I_{нб.макс.}

Ток, намагничивания трансформатора тока зависит от величины его вторичной э.д.с. Е₂, что характеризуется кривой намагничивания (рис. 11-3).

Рис. 11-3. Характеристика намагничивания трансформаторов тока.

Чем больше ток к.з., проходящий через трансформатор тока, тем больше будет Е₂, а следовательно, и ток I_нам. При внешнем к.з. наибольший ток к.з. будет проходить через трансформаторы тока повреждённого присоединения, поэтому токи намагничивания этих трансформаторов тока и, следовательно, их погрешности будут максимальными. По трансформаторам тока остальных присоединений будет проходить только часть этого тока и следовательно, их токи намагничивания будут меньше. Для уменьшения тока небаланса диф. защиты шин необходимо подбирать трансформаторы тока используемые в защите так, чтобы при внешних к.з. они работали в ненасыщенных (прямолинейных) частях характеристик намагничивания (применяют однотипные ТТ класса Р (Д); уменьшают значения вторичных токов ТТ за счёт увеличения коэффициента трансформации; уменьшают нагрузку ТТ увеличивая сечение и уменьшая длину соединительных проводов токовых цепей; выбор ТТ осуществляют по кривым предельной кратности токов при 10% погрешности).

Кроме того, для улучшения отстройки диф. защиты шин от токов небаланса при внешних к.з. применяют дифференциальные реле с быстронасыщающимися трансформаторами (БНТ) типа РНТ, которые не пропускают в реле апериодическую составляющую тока небаланса.

Для исключения неправильной работы защиты шин при неисправностях токовых цепей (обрывах или шунтированиях фазы вторичной цепи ТТ любого присоединений) дифференциальные реле отстраивают также от тока нагрузки наиболее нагруженного присоединения. Поэтому:

I_с.з.>I_н.макс.

В некоторых схемах диф. защит шин используют устройства контроля за исправностью токовых цепей – в нулевом проводе диф. реле устанавливают чувствительное токовое реле, которое выводит из работы диф. защиту при обрыве или шунтировании любой фазы вторичной цепи защиты. Устройство контроля дополняется миллиамперметром для периодического контроля дежурным персоналом исправности токовых цепей диф. защиты шин.

Таким образом, ток срабатывания продольной дифференциальной защиты шин должен выбираться исходя из 2-х условий:

1. Отстройки от токов небаланса при внешних к.з.:

I_с.з.= К_нI_{нб.макс.}

2. Отстройки от максимального тока нагрузки наиболее загруженного присоединения:

I_с.з.= К_нI_н.макс.

где:
Кн	-	коэффициент надёжности, принимаемый равным 1,21,25

При использовании реле с БНТ (типа РНТ) ток небаланса определяется погрешностями только тех трансформаторов тока, по которым проходит суммарный ток к.з. При этом при максимальном значении тока к.з. не превышают 10%, то расчёт тока небаланса ведётся по формуле:

I_{нб.макс.}=0,1 I_к.макс.

где:
Iк.макс	-	максимальный ток внешнего к.з.

Окончательный ток срабатывания диф. защиты шин принимается равным большему значению из полученных расчётных значений по 1 и 2 условию выбора тока срабатывания защиты.

Чувствительность защиты шин, как обычно, характеризуется коэффициентом:

,

который должен быть больше 2, т.к. защита является основной и должна надёжно срабатывать при к.з. на защищаемых шинах при минимальном токе к.з.

Выводы:

1. В качестве защит шин могут использоваться: токовая отсечка, дистанционная защита и продольная дифференциальная защита.

2. Основными достоинствами продольной дифференциальной защиты шин являются быстродействие, селективность и высокая чувствительность, поэтому она нашла широкое применение в качестве защиты шин подстанций в сетях напряжением 110 кВ и выше.