Типы и принципы выполнения защит оборудования тяговых подстанций

Токовые максимальные защиты срабатывают при превышении током защищаемой цепи определенного, заранее заданного значения. Величину тока, при которой начинает действовать защита, называют током срабатывания. По условиям выбора тока срабатывания различают максимальную защиту (ток срабатывания у нее должен быть больше максимального тока нагрузки в защищаемой цепи) и токовую отсечку (ток срабатывания которой должен быть больше максимального аварийного тока, т. е. тока в конце защищаемого участка — так называемой зоны защиты). Оба вида защиты могут быть выполнены как без выдержки, так и с выдержкой времени. Выдержка времени определяется условиями селективности защиты. Кроме этих двух защит может быть применена максимальная защита с зависимой характеристикой (выдержка времени зависит от величины аварийного тока), которую, однако, на тяговых подстанциях используют очень редко.
Если аварийный ток возникает случайно и прекращается до срабатывания защиты, то реле, входящие в комплект защиты, должны возвращаться в исходное положение. В случае, когда ток, проходящий через выключатель, может изменять свое направление, а защищать необходимо только участок, находящийся с одной стороны выключателя, максимальную защиту дополняют органом, реагирующим на направление энергии (мощности). Такая защита называется максимальной направленной.
Пусковым органом максимальных защит с независимой характеристикой (у которых время действия не зависит от величины тока) являются токовые реле (например РТ-40). Вадержка времени у таких защит обеспечивается путем использования реле времени. Органом направления энергии в них является индукционное реле.
Токовые дифференциальные защиты действуют при изменении соотношения токов в двух или трех точках электрической цепи. Обычно проверяют равенство токов вторичных обмоток трансформаторов тока, включенных в точках цепи; такая проверка показывает: есть характерные повреждения внутри защищаемой зоны или их нет. На сквозные аварийные токи, проходящие через защищаемую зону, защита не реагирует. При равенстве вторичных токов их разность равна нулю и через катушку реле, включенную на эту разность, ток не протекает. В случае аварии внутри защищаемой зоны разность токов не равна нулю и реле, срабатывает.
Дифференциальная защита может быть продольной (защищает отдельные аппараты — генераторы, трансформаторы или одиночные линии) или поперечной (защищает двух цепные линии или параллельно работающие аппараты). Она, как и максимальная защита, может быть дополнена органом направления энергии.
Для защиты трехобмоточных трансформаторов требуется дополнительная аппаратура, которая позволяет сравнить ток со стороны питания с двумя потребляемыми токами (обмоток среднего и низшего напряжений). В этом случае дифференциальное реле имеет специальный суммирующее делительный аппарат.
Селективностью называют такое правило настройки защитных элементов, при котором отключается от защиты тот выключатель, который ближе всего к месту повреждения. Если же он' не отключился, то должен действовать следующий выключатель и т.д. Такая зависимость создается различными уставками времени и тока.  Основными реле, применяемыми в дифференциальных защитах, являются реле РНТ и ДЗТ.
Дистанционные защиты применяют в тех случаях, когда необходимо измерить расстояние (дистанцию) от места установки защиты до места повреждения. Измерение осуществляет специальное реле сопротивления КРС. В большинстве случаев выдержка времени такой защиты возрастает по мере удаления места установки защиты от места аварии. Это возрастание происходит ступенчато.
По выдержке времени дистанционные защиты обычно выполняют одно-, двух- или трехступенчатыми; возможно и большее число ступеней. Каждая ступень соответствует определенному диапазону сопротивления цепи от пункта питания до места короткого замыкания. Выпускают комплектные устройства дистанционной защиты, снабженные элементами направления мощности и блокировкой от ложных срабатываний при нарушении цепей напряжения.
Защита по напряжению применяется в тех случаях, когда исчезновение или резкое снижение напряжения является характерным сигналом' нарушения нормального режима работы, требующим срочного отключения оборудования. В качестве основного элемента такой защиты служит реле напряжения PH, которое чаще всего применяют вместе с реле времени для исключения ложных срабатываний при случайных снижениях напряжения.
В некоторых случаях применяют и другие защиты, например дифференциально-фазовую и направления мощности, работающие при изменении различных электрических параметров сети и аппаратуры. Кроме того, в некоторых защитах используется косвенный эффект действия электрического тока при аварии: температура или газообразование при разложении масла дугой короткого замыкания. Температурную и газовую защиты применяют, в первую очередь для защиты трансформаторов.
Газовую защиту выполняют на базе газового реле, которое представляет собой полый металлический сосуд с двумя поплавками. Каждый поплавок прикреплен одним концом к стенке сосуда. Сосуд устанавливают на крышке трансформатора между корпусом и расширителем таким образом, чтобы масло из расширителя в корпус поступало через сосуд. Пузыри газа, появляющиеся в корпусе трансформатора (что возможно только при разложении масла дугой короткого замыкания), всплывают в расширитель через корпус газового реле. Поплавки реле в атмосфере газа повисают вниз на закрепленных концах, и ртуть, находящаяся в них, замыкает впаянные в свободные концы контакты. От этих контактов подаются сигнал (верхний поплавок) и импульс (нижний поплавок) на «отключение.
Земляная защита подстанций постоянного тока выполняется на базе специального токового реле, включаемого между контуром заземления внутри здания подстанции и наружным контуром. При замыкании на землю в РУ 3,3 кВ постоянного тока катодные и фидерные автоматические выключатели не отключаются, так как магнитное поле этого тока короткого замыкания направлено так же, как собственное магнитное поле выключателей. Однако ток к.з. потечет из контура заземления в землю через токовое реле и вызовет его срабатывание. Реле в свою очередь обесточит держащие катушки всех быстродействующих выключателей и прервет все цепи подпитки места короткого замыкания.