ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА

 

4.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания простые и направленные токовые защиты не могут обеспечить селективного отключения КЗ.

Рассмотрим кольцевую схему с двумя источника питания на рис. 4.1. Предположим, что на подстанциях установлены максимальные направленные защиты.

Рис. 4.1. Кольцевая сеть с двумя источниками питания

 

При КЗ на линии W2 (т. К1) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: t₃ < t₁ < t₅, t₄ < t₆ < t₂. Однако при КЗ на линии W3 (т. К2) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: t₆<t₂<t₄, t₅ < t₃ < t₁. Как видим, возникают противоречия работы защиты по отношению к временам срабатывания. Следовательно, в таких сетях применение максимальной направленной защиты не удовлетворяет требованиям селективности, быстродействию.

В связи с этим возникла необходимость в применении других принципов, позволяющих получить защиты с необходимым быстродействием, обеспечивающие селективность, чувствительность в сетях любой конфигурации. Одной из таких защит является дистанционная защита.

Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удаленность КЗ от места установки защиты.

В качестве дистанционного (измерительного) органа используется реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующие на полное, активное, реактивное сопротивление линии (z, r, x). Сопротивление фазы линии от места установки реле до места КЗ пропорционально длине этого участка: z_рк = z_уд·l_к, r_рк = r_уд·l_к, x_рк = x_уд·l_к, где z_рк, r_рк, х_рк – полное, активное и реактивное сопротивления участка линии длиной l_рк; z_уд, r_уд, х_уд – удельное сопротивление на 1 км линии.

Таким образом, поведение реле, реагирующих на сопротивление линии, зависит от удаленности места повреждения l_рк.

Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации необходимо выполнять направленными, действующими только при направлении мощности КЗ от шин в линию.

 

4.2. ПРИНЦИП ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ

Принцип обеспечения селективности действия защит со ступенчатой характеристикой рассматривается на примере схемы сети (рис. 4.2).

 

Рис. 4.2. Согласование выдержек времени дистанционных защит со ступенчатой характеристикой (Δz – погрешность дистанционного реле; 1, 2 – дистанционные защиты)

 

Протяженность первой зоны берется несколько меньше протяженности линии с учетом погрешности Δz в сопротивлении срабатывания дистанционного реле. В зависимости от точности реле первая зона составляет 0,7-0,85 длины защищаемой линии. При КЗ в пределах первой зоны защита действует мгновенно. Остальная часть линии и шины противоположной подстанции охватываются второй зоной, протяженность и выдержка которой согласуются с первой зоной защиты следующего участка. Короткое замыкание в пределах второй зоны защита отключает с выдержкой времени t₁^II. Последняя, третья ступень защиты является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка на случай отказа его защиты или выключателя. При повреждениях в третьей зоне защита действует с выдержкой времени t₁^III.

 

4.3. ЭЛЕМЕНТЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Дистанционная защита относится к числу сложных защит. Все разновидности этой защиты состоят из нескольких общих элементов (органов защиты), выполняющих определенные функции.

Защита состоит из следующих органов (рис. 4.3):

· пускового органа ПО, пускающего защиту при возникновении КЗ. Обычно пусковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле.

· дистанционного органа ДО, определяющего удаленность места КЗ. В ступенчатых защитах выполняется при помощи реле минимального сопротивления. К реле подводится ток и напряжение защищаемой линии (I_p и U_р) и оно срабатывает при условии , где z_ср – наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т.е. сопротивление срабатывания реле.

Сопротивление z_р иногда называют фиктивным, т.к. в некоторых режимах (при нагрузке и качаниях) z_р не является сопротивлением линии. В этих случаях оно представляет отношение , обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения.

· органа выдержки времени В, создающего выдержку времени, с которой в зависимости от поведения дистанционного органа действует защита.

· органа направления мощности ОМ, не позволяющего работать защите при направлении мощности КЗ к шинам подстанции. Выполняются при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые и дистанционные органы не обладают направленностью.

· блокировки, автоматически выводящие защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки:

- блокировка от исчезновения напряжения U_р при неисправностях в цепях напряжения БН, питающих защиту; при U_р=0 z_р=0, в этих условиях пусковые реле (если они реагируют на z) и дистанционные органы защиты приходят в действие, что может привести к неправильной работе защиты; блокировка приходит в действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

- блокировка от неправильного действия защиты при качаниях в системе БК; в этом режиме напряжение U_р снижается, а ток I_р возрастает, что приводит к уменьшению z_р, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут срабатывать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка БК приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

 

Рис. 4.3. Упрощенная схема трехступенчатой дистанционной защиты

 

При КЗ на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов и на катушку реле времени третьей зоны. Если КЗ произошло в пределах первой зоны, то дистанционный орган первой зоны ДО_I замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если КЗ произошло во второй зоне, ДО_I не работает, т.к. сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (z_p>z₁). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны ДО_II. Он замыкает контакты и пускает реле времени В_II. По истечении времени t_II реле В_II замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При КЗ за пределами второй зоны омметры ДО_I и ДО_II не работают, т.к. сопротивления на его зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени В_III, запущенное пусковым реле, срабатывает когда истечет его выдержка времени t_III и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.

 

4.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ

ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЕ

Характеристикой срабатывания называется зависимость Z_cp=f(φ_p), которая определяет значения векторов z_p на зажимах реле при его срабатывании.

Сопротивление z является комплексной величиной, поэтому характеристики срабатывания реле и сопротивления на их зажимах удобно изображать на комплексной плоскости, в осях x и r (рис. 4.4). В этом случае по оси вещественных величин комплексной плоскости откладываются активные сопротивления r, а по оси j располагаются реактивные сопротивления х. Любое полное сопротивление на зажимах реле может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа и изображено в осях x, r вектором с координатами x_р и r_р (рис. 4.4, а). Величина этого вектора характеризуется модулем , а его направление – углом φ_p, который определяется соотношением x_р и r_р, поскольку . Из рис. 4.4, б видно, что угол φ_p равен углу сдвига фаз между векторами тока I_р и напряжения U_р и, следовательно, можно считать, что на комплексной плоскости вектор I_р совпадает с осью положительных сопротивлений r, а напряжение U_р – с вектором z_p.

 

Рис. 4.4. Комплексная плоскость r, jx:

а) – изображение вектора z_р; б) – треугольник сопротивлений; в) и г) – участок сети и его изображение в осях r, jx; д) – КЗ через сопротивление r электрической дуги

 

Любой участок сети, например линию АБ, показанную на рис. 4.4, в, можно также представить в осях x и r вектором z_Л, имея в виду, что каждая точка линии характеризуется определенными сопротивлениями r_Л и х_Л.

Если сопротивления всех участков сети имеют один и тот же угол φ_Л, то их геометрическое место на комплексной плоскости изобразится в виде прямой, смещенной относительно оси r на угол φ_Л (рис. 4.4, г).

Начало защищаемой линии, где установлена рассматриваемая защита А, совмещается с началом координат (рис. 4.4, в и г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону защиты А, считаются положительными и располагаются в первом квадранте плоскости (рис. 4.4, в). Координаты участков сети, расположенных влево от т. А, считаются отрицательными и располагаются в третьем квадранте.

 

4.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ РЕЛЕ

Характеристики каждого реле представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию z_р=z_ср. Таким образом, характеристика работы реле является пограничной кривой, определяющей условия действия реле.

Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при КЗ в пределах защищаемой зоны. При КЗ вектор сопротивления на зажимах реле z_р равен геометрической сумме вектора сопротивления линии z_к до места повреждения и сопротивления электрической дуги r_д, которая может возникать в месте КЗ (рис. 4.4, д), т.е. z_р=z_к+r_д.

На рис. 4.4, д отрезок ОА изображает вектор сопротивления линии, равный сопротивлению z_к зоны действия реле; отрезок АВ представляет вектор сопротивления электрической дуги, имеющей активное сопротивление r_д (дело в том, что активный характер сопротивления дуги справедлив для условий одностороннего питания; при двустороннем питании за счет сдвига фаз между токами КЗ от генераторов, вектор АВ будет расположен под углом к оси r). Площадь ОАВС определяет область, в пределах которой может располагаться вектор z_р при КЗ в различных точках линии, с учетом сопротивления электрической дуги.

Рассмотрим несколько характеристик срабатывания реле (рис. 4.5).

 

Рис. 4.5. Виды характеристик реле сопротивления:

а) – реле полного сопротивления; б) – направленное реле сопротивления;

в) – эллиптическая характеристика; г) – многоугольная характеристика

 

Круговая характеристика с центром в начале координат (рис. 4.5, а). Сопротивления срабатывания реле с такой характеристикой z_ср не зависят от φ_p. Поэтому они называются реле полного сопротивления.

Круговая характеристика, проходящая через начало координат, с центром, располагаемым обычно на прямой, характеризующей защищаемый участок (рис. 4.5, б). Сопротивления срабатывания реле z_ср зависят от φ_p, причем наибольшую чувствительность (z_срмах) оно имеет при , т.е. при металлических КЗ на защищаемой линии. Возможно расположить диаметр окружности и под углом меньшим к φ_Л к оси r для повышения чувствительности к переходным сопротивлениям r_д. Характеристика не охватывает повреждения на последующих элементах системы, располагающихся в третьем квадранте, и поэтому реле с такой характеристикой называется направленным реле сопротивления. Работа реального реле характеризуется граничной линией, не проходящей через начало координат. Поэтому в начале линии появляется мертвая зона, при КЗ в которой реле может отказывать в срабатывании. При использовании реле для третьей и второй ступеней мертвую зону можно исключить, несколько смещая характеристику в третий квадрант. Для реле первой ступени это недопустимо, т.к. это приведет к возможности излишнего срабатывания защиты при близких КЗ на смежном участке «за спиной»; поэтому для исключения мертвой зоны у первой ступени используют специальные меры.

Эллиптическая характеристика, проходящая через начало координат, с большой осью, наклоненной к оси r под углом, равным углу сопротивления защищаемой линии (рис. 4.5, в). Реле с такой характеристикой предлагались прежде всего для последних ступеней защиты, пусковых органов, как обеспечивающие лучшую, чем направленные реле, отстройку от рабочих режимов и качаний. Для исключения мертвых зон и уменьшения влияния r_п (переходное сопротивление) при близких КЗ, характеристики для вторых и третьих ступеней могут смещаться в третий квадрант.

Многоугольная характеристика (рис. 4.5, г). Ее стороны выбираются с учетом следующих соображений. Верхняя сторона должна четко фиксировать конец защищаемой зоны. Правая боковая сторона обеспечивает отстройку от рабочих режимов. Левая боковая сторона помогает отстройке от нагрузок, передаваемых к месту установки защиты. Нижняя сторона для реле первой ступени проходит через начало координат и имеет наклон, обеспечивающий работу при близких КЗ через r_п; для второй и третьей ступеней она может быть для устранения мертвых зон смещена в третий квадрант.

 

4.6. ВЫБОР УСТАВОК СРАБАТЫВАНИЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Рассмотрим выбор уставок на примере схемы рис. 4.6, а, состоящей из двух участков линий W1 и W2 с тремя источниками питания и понижаюшим трансформатором Т. Все защиты выполняются с использованием направленных ИО сопротивления с характеристикой в виде окружности, проходящей через начало координат. Выбор параметров срабатывания производится для защит одного направления – 1, 3, 5.

На рис. 4.6, б графически изображаются характеристики дистанционных защит.

 

Рис. 4.6. Участок сети, защищаемый защитой 1 (а) и изображение характеристик выдержек времени дистанционных защит в осях z, t (б)

 

Первая зона защиты. Первая ступень выполняется без выдержки времени. Селективность в режиме без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором сопротивления срабатывания. Время срабатывания первых ступеней защит для всех участков принимается одинаковым и равным .

Для исключения излишних отключений линии сопротивление срабатывания ИО должно быть выбрано меньше, чем сопротивление при КЗ в начале предыдущих элементов, т.е. меньше сопротивления линии:

,

,

где z_л – сопротивление прямой последовательности защищаемой линии W1, W3; k_отс – коэффициент, учитывающий с некоторым запасом погрешности Δz, могущие вызвать увеличение z_ср. Величина k_отс зависит от точности реле, обычно принимается k_отс=0,85-0,9.

Погрешность ТТ приводит к сокращению зоны действия защиты. Поэтому ТТ, питающие дистанционную защиту, следует выбирать по кривым 10% погрешности при максимальном токе КЗ в конце первой зоны.

Вторая зона защиты. Вторая ступень предназначена для защиты части участка, где не работает первая ступень, когда . Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором времени срабатывания и сопротивления срабатывания .

Для обеспечения селективности протяженность и выдержку времени второй зоны отстраивают от быстродействующих защит трансформаторов и линий, отходящих от шин противоположной подстанции.

При выбранном значении протяженность второй зоны не должна выходить за пределы зон быстродействующих защит линий и трансформаторов, питающихся от подстанции Б.

Сопротивление срабатывания второй ступени должно быть выбрано меньше, чем сопротивление Z_З при КЗ в конце зоны, защищаемой первой ступенью защиты предыдущего элемента, определяемой , или при КЗ за трансформатором в режиме, когда его сопротивление минимально (Z_т = Z_т.min).

Первичное сопротивление Z_З на входе ИО сопротивления второй ступени при КЗ в указанных точках определяется как

,

,

где , – коэффициенты токораспределения при КЗ на W2 и за трансформатором Т.

С учетом возможного сокращения первой зоны защиты на Δz вторая зона защиты должна быть отстроена аналогично тому, как отстраивалась первая зона защиты от конца линии:

,

,

где k_отс – коэффициент, учитывающий сокращение z_з на Δz, принимается равным 0,85-0,9. Принимается меньшее значение .

Выбранное значение сопротивления проверяется по условию надежного действия (чувствительности) при КЗ на шинах подстанции В. Согласно [1]:

.

Для линий сопротивлением 5-20 Ом следует стремиться, чтобы k_ч=1,5÷2, т.к. при малом k_ч защиты на линиях с небольшим сопротивлением могут отказывать при КЗ через сопротивление дуги.

Если вторая зона ненадежно охватывает защищаемую линию, т.е. k_ч<1,25, то ее можно отстраивать не от первой, а от конца второй зоны защиты В. При этом время действия второй зоны защиты А должно отстраиваться от времени второй зоны защиты В: , а величина должна выбираться по выражению определения сопротивления при наличии нескольких источников питания.

Третья зона защиты. Третья зона защиты выполняет в основном функции резервирования Селективность без КЗ обеспечивается сопротивлением срабатывания, а при внешних КЗ – выдержкой времени. Выбор выдержек времени, как и для токовых направленных защит, осуществляется по встречно-ступенчатому принципу.

Выбор сопротивления срабатывания производится с учетом двух условий:

1. Для исключения срабатывания ИО сопротивления в нагрузочных режимах его сопротивление срабатывания должно быть меньше минимального рабочего сопротивления при φ_р=φ_раб:

.

2. ИО третьей ступени, сработавший при КЗ на смежном участке, должен вернуться в исходное положение после отключение КЗ выключателем поврежденного участка. Диаграмма изменения сопротивления в этих режимах для защиты 1 приведена на рис. 4.7.

 

Рис. 4.7. Изменение Z_з при КЗ

 

При возникновении КЗ на W2 сопротивление на входе ИО сопротивления снижается от значения Z_раб.min до значения Z_к, а после отключения выключателя 3 возрастает до Z_пер.min – переходного сопротивления, обусловленного пониженным напряжением при появлении токов самозапуска электродвигателей и определяемого как Z_пер.min=Z_раб.min/k_з, где k_з – коэффициент запуска, больший единицы.

Для возврата ИО сопротивления в исходное положение его сопротивление возврата Z_в.з. при φ_р=φ_раб должно быть меньше переходного сопротивления Z_в.з.<Z_пер.min:

.

Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется при КЗ в конце своего участка (работа защиты как основной):

и в конце зоны резервирования – конце линии W2 и за трансформатором Т

,

, .

Наименьшее значение Z_раб.min имеет место при максимальном токе нагрузки в фазе I_{раб.мах} и пониженном уровне рабочего напряжения U_{раб.мин}, обычно принимаемого на 5-10% меньше номинального:

.

Под U_раб.min подразумевается линейное напряжение.

 

4.7. ПОВЕДЕНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ ПРИ КАЧАНИЯХ

И АСИНХРОННЫХ РЕЖИМАХ

Качания возникают при нарушении синхронной работы генераторов электрической системы. Качания сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети, на эти изменения тока и напряжения защиты реагируют так же, как и на симметричное КЗ.

Рассмотрим простейшую электрическую систему, состоящую из двух генераторов: G_А и G_В, связанных между собой ЛЭП (рис. 4.8, а). В нормальных условиях угловые скорости ω_А и ω_В, с которыми вращаются векторы ЭДС Е_А и Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма скорости вращения роторов генераторов G_А и G_В, а также скорость вращения векторов их ЭДС становятся различными.

 

Рис. 4.8. Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях:

а) – простейшая электрическая система и ее схема замещения; б) – векторная диаграмма при различных значениях угла; в) – распределение напряжения в системе при d=180°.

 

В результате этого вектор Е_А (рис. 4.8, б) будет вращаться относительно вектора Е_В с угловой скорость скольжения ω_s=ω_A–ω_B, а разница ЭДС будет менять свою величину в зависимости от угла d.

Полагая, что по величине , из векторной диаграммы, изображенной на рис. 4.8, б, находим:

,

где d – функция времени и скольжения ω_s.

При ω_s=const угол . С учетом этого

.

Полученное выражение показывает, что действующее значение ΔЕ принимает максимальное значение при d=180°, а минимальный – при d=0.

Под влиянием ЭДС ΔЕ в сети, соединяющей генераторы G_А и G_В, появляется уравнительный ток (ток качания) I_ур:

.

Действующее значение уравнительного тока I_ур меняется с такой же периодичностью, как и ΔЕ. Характер изменения I_ур по времени показан на рис. 4.9, а. Максимальное значение I_ур достигается при d=180°, а при d=0 ток I_ур снижается до нуля.

Однако в действительности при d=0 ток I_ур будет отличен от нуля, т.к. обычно .

Напряжение в какой-либо т. М сети при качаниях (рис. 4.8, а) равно: , где – падение напряжения на участке АМ.

Вектор падения напряжения совпадает по фазе с вектором ΔЕ (вектор АВ на рис. 4.8, б) и составляет его часть. В каждый момент времени (при каждом значении угла d) действующее напряжение в различных точках сети будет различным. Наименьшее значение оно имеет в т. С, в которой вектор напряжения U_C перпендикулярен вектору ΔЕ. Эта точка называется электрическим центром системы или электрическим центром качаний. Она находится в середине сопротивления z_АВ при условии, что ЭДС , а сопротивление на всех участках сети однородно (при вычислении Z_АВ для определения электрического центра, а также токов и напряжения при качаниях сопротивления генераторов замещаются сверхпереходным сопротивлением ). По мере удаления (вправо и влево) от электрического центра системы (т. С) напряжение U_M нарастает.

С изменением угла d изменяются и напряжения во всех точках сети. При d=0 напряжение во всех точках сети одинаково и имеет максимальное значение U_мах=Е. С увеличением d напряжение в сети снижается, имея наименьшую величину в электрическом центре (в т. С). При d=180° напряжение в электрическом центре системы падает до нуля, в остальных же точках системы оно равно (рис. 4.8, в).

На рис. 4.9, б показан характер изменения напряжения в т. М и С сети в функции угла d. Кривые изменения сопротивления для тех же точек сети приведены на рис. 4.9, в.

Как видно из рис. 4.9 особенно неблагоприятные условия для защит, реагирующих на U и Z, возникают в электрическом центре качаний и в близлежащих от него точках из-за резкого понижения напряжения на этом участке сети.

Период качаний Т_кач зависит от степени расхождения скоростей синхронных генераторов. Чем больше разница , тем меньше период качаний Т_кач.

 

Рис. 4.9. Характер изменения электрических величин на зажимах реле при качаниях:

а) – тока; б) – напряжения; в) - сопротивления

 

Защиты, действующие мгновенно, могут сработать при любом значении периода качаний при условии, что у токовых реле I_ср<I_кач.max у реле напряжения и сопротивления U_ср и Z_ср соответственно больше, чем U_кач.minи Z_кач.min. Защиты, имеющие выдержку времени, действуют при качаниях только при условии, что период качаний превышает время работы защиты. Однако, защиты с выдержкой времени могут подействовать и при очень малых периодах качаний, если время возврата реле t_в оказывается больше времени Т" (рис. 4.9, а). В этом случае реле не успевает вернуться за время спада качаний и, удерживаясь в сработанном состоянии, может подействовать через несколько циклов качаний, когда истечет время его действия. При качаниях в системе продолжительность периода качаний не остается постоянной. В связи с появившимся возмущением скорость вращения ротора машины начинает изменяться: например, увеличиваясь, она достигает некоторого предела, после чего начинает убывать и затем снова повышается, колеблясь вокруг значения синхронной скорости. Соответственно, меняется и период качаний.

Различают два случая качаний: синхронные и асинхронные. В первом случае появившееся нарушение синхронной работы не сопровождается нарушением устойчивости генераторов. При этом разница электрических скоростей генераторов ω_s=ω_A–ω_B, быстро уменьшается, приближаясь к нулю, а угол d в процессе качаний не достигает 180°.

Во втором случае происходит нарушение устойчивой работы генераторов. Роторы вышедших из синхронизма машин и их ЭДС провертываются относительно друг друга, а угол d превосходит 180°. Для таких качаний характерны нарастание скольжения ω_s и уменьшение периода Т_кач. При определенных условиях и в этом случае генераторы могут втянуться в синхронизм. Однако этот процесс имеет достаточно длительный характер. Поэтому в таких условиях необходимо принять меры, вручную и автоматически способствующие быстрому восстановлению синхронизма.

Работа дистанционных защит прежде всего зависит от поведения реле сопротивления. При углах d, близких к 180°, у электрического центра системы Z_р, как и напряжение U_р, оказывается равными нулю. Реле сопротивления срабатывает при . Из рис. 4.9, в можно сделать вывод, что при качаниях срабатывает только защита подстанции С. С увеличением Z_р и уменьшением времен срабатывания ступеней защит возможность ложных действий возрастает. Последние (третьи ступени) защиты обычно имеют t^III=2 с, и их ложные действия при качаниях и асинхронных режимах маловероятны. Наиболее вероятно ложное действие при качаниях первых ступеней, имеющих t^I<0,1÷0,15 с. Однако и вторые ступени, часто имеющие t^II≈0,5 с, также могут срабатывать ложно.

Более сложными являются соотношения при наложении качаний на КЗ. Анализ показывает, что и в этих условиях также возможны излишние действия защиты и их отказы. Поэтому на практике дистанционные защиты систем с несколькими источниками питания обычно снабжаются специальными устройствами, имеющими назначение предотвращать их ложные и излишние срабатывания при сильных качаниях и асинхронных режимах и называемыми блокировками при качаниях.

 

4.8. БЛОКИРОВКИ ПРИ КАЧАНИЯХ

Блокировки при качаниях (БК) предназначены для предотвращения ложных и излишних срабатываний защиты. Алгоритмы их должны учитывать следующие требования: запрещать защите срабатывать при качаниях без КЗ и при внешних КЗ (если там работают свои защиты); при КЗ на защищаемом участке должна быть обеспечена возможность срабатывания защиты как при ее отсутствии, так и при возникновении качаний.

Блокировки при качаниях должны различать режимы КЗ и без качаний:

- возникновение КЗ в системе характеризуется появлением (хотя бы кратковременным) несимметрии, качания же являются симметричным режимом;

- при возникновении КЗ и при качаниях скорость изменения действующих значений электрических величин различна: малые промежутки времени приращения электрических величин при КЗ значительно больше, чем при качаниях.

В измерительном органе БК реализуется алгоритм, основанный на одном из этих признаков. По типу измерительных органов принято различать две группы блокировок.

Группа блокировок, использующая первый признак, вводит в работу нормально выведенную защиту по факту появления несимметрии. Защита вводится в работу на время t_в, достаточное для действия ее ступеней, после чего выводится. Последующий ввод защиты может произойти либо сразу после исчезновения несимметрии, либо через заданное время готовности блокировки t_г к последующему выполнению своих функций (вводу защиты). Достоинством первого является малое время, в течение которого защита выведена из работы. Однако несимметрия может возникнуть вновь при отключении внешнего К⁽³⁾, а также при неуспешном АПВ (включение на устойчивое КЗ) на смежном участке при уже развивавшихся качаниях, что может привести к излишнему срабатыванию защиты. Вывод защиты на заданное время t_г, определяемое максимальными выдержками времени защит сети с учетом неуспешных АПВ, исключает указанный недостаток, но такой длительный вывод из работы может быть недопустимым, только если на элементе имеется другая защита, не реагирующая на качания.

Защита может оказаться введенной при качаниях, если несимметрия возникла при внешнем КЗ, сопровождающимся развивающимися качаниями, либо качания возникли раньше, например, при медленном отключении внешних КЗ. Если защиту ввести на малое время, необходимое лишь на действия первой ступени, то в первом случае это исключит ложное срабатывание, т.к. векторы ЭДС систем при возникновении качаний не успевают разойтись на значительный угол, а, следовательно, и не будет достаточного снижения Z_р на входе ИО сопротивления. Во втором случае быстродействующие системы могут сработать ложно при качаниях, т.к. сопротивление Z_р уже может оказаться меньше Z_ср. Если уменьшить время t_в до необходимого для срабатывания первой ступени, будет исключена возможность срабатывания второй ступени, и КЗ на защищаемом элементе может отключаться с большим временем третьей ступени, которая отстроена от качаний по времени.

Для исключения этого недостатка вторая ступень не выводится из работы, если в момент появления несимметрии срабатывает ИО сопротивления второй ступени. Совпадение этих двух факторов идентифицируется как возникновение КЗ в зоне второй ступени, и она остается введенной на время, достаточное для ее срабатывания.

В блокировках этой группы в качестве измерительных органов используются максимальные органы напряжения (или тока) обратной последовательности, сопряженные с соответствующим фильтром обратной последовательности. Напряжение обратной последовательности появляется на выходе фильтра при включении на закороченные три фазы за счет неоднородного замыкания фаз выключателя, а при К⁽³⁾ – за счет переходных процессов в фильтре. Параметры срабатывания этих ИО сопротивлеия отстраиваются от напряжения или тока небаланса фильтров и составляющих обратной последовательности, обусловленных несимметрией нагрузки.

Напряжение небаланса на выходе фильтра напряжения обратной последовательности определяется в максимальном нагрузочном режиме, а ток небаланса фильтра – током обратной последовательности при качаниях. Чувствительность этих ИО может оказаться недостаточной на длинных линиях (в месте установки защиты малы I₂ и U₂), а также из-за повышенной несимметрии в нагрузочном режиме.

Напряжение U_2Ш (рис. 4.10), подводимое к защите, определяется падением напряжения от тока I₂ в сопротивлении Z_2с обратной последовательности до нейтральной точки системы U_2Ш=-I₂·Z_2с (знак минус учитывает разные положительные направления U₂ и I₂) и может оказаться недостаточным для получения требуемого k_ч. Для повышения его значения в качестве воздействующей величины ИО напряжения используется напряжение компенсации U'₂, равное падению напряжения в сопротивлениях системы Z_2c и компенсации Z_к: U'₂=I₂·(Z_2c+Z_к). Обычно сопротивление Z_к=0,5·Z_л, и тогда модуль напряжения U'₂=U_2Ш–0,5·Z_л больше U_2Ш.

 

Рис. 4.10. К определению напряжения компенсации

 

Для повышения чувствительности ИО тока используется сумма выпрямленных токов обратной и нулевой последовательности , а также торможение от фазного тока (последнее снижает ток небаланса при качаниях и К⁽³⁾).

В схемах БК используется дополнительный ИО, срабатывающий при К⁽³⁾, в качестве которого может использоваться минимальный ИО напряжения, включенный на одно из междуфазных напряжений. Однако он может срабатывать и при качаниях, поэтому его работа контролируется ИО, определяющим несимметрию. Основное его назначение – фиксировать неотключившееся внешнее К⁽³⁾, при котором не следует вводить БК.

Недостатками ИО рассмотренной группы блокировок являются: слабая чувствительность, особенно при значительной несимметрии нагрузки, возможность отказов в действии при симметричных КЗ из-за малых значений (или длительности) величин обратной последовательности; возможность отказа защиты при быстро следующих друг за другом КЗ; вероятность излишнего срабатывания при возникновении КЗ и вводе защиты на фоне уже развившихся качаний.

Группа БК, использующая второй признак, может держать защиту нормально введенной в работу. Скорость изменения действующих значений электрических величин может быть определена, например, при помощи двух измерительных органов сопротивления (ИОС1, ИОС2) разной чувствительности. Измерительные органы сопротивления с Z_ср1 и Z_ср2 при КЗ (рис. 4.11, а) срабатывают одновременно вследствие мгновенного изменения Z_р от Z_раб до Z_к. При качаниях (рис. 4.11, б) между моментами времени срабатывания этих ИО сопротивлений проходит время Δt, что идентифицируется как появление качания. Защита при этом выводится из работы.

 

Рис. 4.11. Изменение Z_р при КЗ (а) и при качаниях (б)

 

При срабатывает ИО сопротивления, пускается реле времени, набирающий заданное время Δt. Если второй ИО сопротивления срабатывает (при ) ранее заданного Δt, защита остается введенной в работу. В противном случае защита выводится.

Сопротивление Z_ср1 отстраивается от сопротивления Z_рабmin нагрузочного режима: Z_ср2должен быть в 1,5-2 раза меньше, обеспечивая при этом достаточную чувствительность при КЗ в конце ступени, контролируемой блокировкой от качаний. Это может ограничить использование приведенной схемы.

Во вновь разработанных отечественных дистанционных защитах применяются блокировки, ИО которых различают КЗ и качания косвенно по скорости изменения электрических величин, а в логической части в основном используют принципы рассмотренных выше блокировок первой группы. ИО реагируют на аварийные слагающие обратной и прямой последовательностей. Скорость изменения векторов этих последовательностей при КЗ существенно превышает их скорость изменения в нагрузочных режимах и при качаниях. ИО, реагирующие на приращение вектора обратной последовательности, не требуется отстраивать от несимметрии нагрузочного режима, а также от установившихся небалансов, т.к. на них они не реагируют. Эти ИО более чувствительны.

Использование аварийных слагающих прямой последовательности повышает чувствительность к симметричным КЗ.

Для выделения аварийных слагающих, например, обратной последовательности, выходной сигнал фильтра тока обратной последовательности (ФТОП) подается на инерционный элемент (ИЭ) (рис. 4.12). Сигнал с выхода ИЭ инвертируется и суммируется с выходным сигналом ФТОП. Параметры схемы подбираются так, чтобы в установившемся режиме на выходе сумматора сигнал был близок к нулю (е₁+е₂≈0). При КЗ, характеризуемом скачкообразным изменением вектора I₂, сигнал на выходе ИЭ устанавливается с задержкой, определяемой его постоянной времени. Поэтому до окончания переходного процесса в ИЭ на выходе сумматора появляется сигнал е₁+е₂≠0, что и обеспечивает срабатывание ИО.

 

Рис. 4.12. Структурная схема выделения аварийной слагающей тока обратной последовательности

 

Медленно изменяющиеся токи при качаниях не вызывают переходных процессов в ИЭ, поэтому сигнал на выходе сумматора остается близким к нулю.

 

4.9. БЛОКИРОВКИ ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ ЦЕПЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

В цепях измерительных ТН возможны неисправности, при которых исчезает напряжение, подводимое к защите: обрывы цепей, их замыкание, срабатывание автоматов или перегорание предохранителей, ошибки персонала.

При неисправностях могут отказывать одни ИО и ложно срабатывать другие. Для обнаружения этих неисправностей используются блокировки при неисправностях в цепях напряжения (БН). При обнаружении неисправности БН либо выводит защиту из действия (если она может ложно сработать на отключение), либо действует на сигнал. К БН предъявляются требования: срабатывать при любой неисправности во вторичных цепях TV, не срабатывать при КЗ в первичных цепях, обладать быстродействием (большим, чем защита), если требуется выводить защиту.

Широко используются БН, сравнивающие напряжение вторичных обмоток TV, соединенных в звезду и в разомкнутый треугольник (рис. 4.13, а, б). Сравнение этих напряжение (токов) позволяет различить повреждения во вторичных и первичных цепях TV. Схема БН (рис. 4.13, в) состоит из промежуточного трансформатора TL с тремя первичными обмотками w₁, w₂, w₃, вторичной обмоткой w₄, резисторов R1-R5 и реагирующего органа РО, включенного на выход выпрямителя VD. Резисторы R1-R3 подключены к обмоткам TV, соединенным в звезду. Выбирая, например, R1 (фаза А) несколько меньшим (или большим), чем R2=R3, получаем в обмотке w₁, включенной на сумма токов этих резисторов, ток I₁≠0 в нормальном режиме. Обмотка w₃ через резистор R5 включена на ток этой же фазы обмотки TV, соединенной в разомкнутый треугольник, поэтому токи I₁ и I₃ совпадают по фазе (рис. 4.13, г). Число витков встречно включенных обмоток w₁ и w₃, значения сопротивлений R1 и R5 подбираются так, чтобы МДС этих обмоток были равны, т.е. компенсировали друг друга. При повреждениях в первичной сети, не связанных с замыканиями на землю (U₀=0), компенсация сохраняется, т.к. напряжения на вторичных обмотках TV, соединенных в звезду и в разомкнутый треугольник, изменяются пропорционально.

При КЗ на землю в первичной сети (U₀≠0) нарушается компенсация, т.к. не одинаково изменяются напряжения на обмотках TV, соединенных в звезду и треугольник. Компенсация в этом случае восстанавливается за счет МДС, создаваемой током I₂ в обмотке w₂, включенной на выход разомкнутого треугольника TV (3U₀).

При повреждениях во вторичных цепях: обрывах, отключения цепей звезды или треугольника, КЗ в этих цепях – нарушается компенсация; при этом появляется напряжение U₀ и изменяются токи в w₁ и w₃, либо исчезает напряжение на одной из этих обмоток.

 

Рис. 4.13. Схема блокировки защиты при нарушениях цепи напряжения

 

4.10. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

Выполнение защит на дистанционном принципе имеет ряд существенных преимуществ, способствовавших широкому применению этих защит в электрических сетях:

Главными достоинствами дистанционного принципа являются:

- Селективность действия в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания.

- Малые выдержки времени в начале защищаемого участка, которые обеспечиваются первой зоной, охватывающей до 85-90% защищаемой линии, что необходимо по условиям устойчивости, требующим быстрого отключения повреждений вблизи шин электростанции и мощных узловых подстанций.

- Значительно большая чувствительность при КЗ и лучшая отстройка от нагрузки и качаний по сравнению с токовыми максимальными защитами.

Недостатки дистанционных защит:

- Сложность защиты как в части схемы, так и в части входящих в ее состав реле. Дистанционные защиты с электромеханическими реле являются самыми многорелейными и многоконтактными защитами.

- Невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой линии. Поэтому они не могут служить основными защитами на тех участках сети, где необходимо выполнение этого требования.

- Реагируют на качания и нагрузку. Необходимость отстройки от последней существенно ограничивает чувствительность защиты и понижает ее эффективность в качестве резервной защиты смежных участков, а возможность действия при качаниях вынуждать усложнять защиту применением блокировки.

- Возможность ложной работы при неисправностях в цепях напряжения, что уменьшает их надежность и вызывает необходимость применения соответствующей блокировки.

Несмотря на отмеченные недостатки, дистанционная защита является наиболее совершенной резервной защитой от междуфазных КЗ и достаточно быстродействующей защитой для сетей напряжением 35 кВ и выше, где она используется и в качестве основной защиты на линиях средней и большой длины.

В качестве резервной дистанционные защиты применяются в тех случаях, когда основными являются продольные быстродействующие защиты с абсолютной селективностью (обычно сети напряжением 220 кВ и выше).