Дистанционная защита линий

Дистанционные защиты применяются в сетях сложной конфигурации, где по соображениям быстродействия и чувствительности не могут быть использованы более простые максимальные токовые и направленные токовые защиты.

Дистанционной защитой определяется сопротивление или расстояние (дистанция) до места КЗ, и в зависимости от этого она срабатывает с меньшей или большей выдержкой времени. Дистанционная защита выполняется многоступенчатой, причем при КЗ в первой зоне, охватывающей 80—85 % длины защищаемой линии, время срабатывания защиты не более 0,15 с.

Для второй зоны, выходящей за пределы защищаемой линии, выдержка времени на ступень выше и колеблется в пределах 0,4—0,6 с. При КЗ в третьей зоне выдержка времени еще более увеличивается и выбирается, как и для направленных токовых защит.

Дистанционная защита — сложная защита, состоящая из ряда элементов (органов), каждый из которых выполняет определенную функцию.

На рис. 1 представлена упрощенная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени. Схема имеет пусковой и дистанционный органы, а также органы направления и выдержки времени.

Пусковой орган П выполняет функцию отстройки защиты от нормального режима работы и пускает ее в момент возникновения КЗ. В качестве такого органа в рассматриваемой схеме применено реле сопротивления, реагирующее на ток IР и напряжение UР на зажимах реле.

Рис. 1. Упрощенная схема дистанционной защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени

Дистанционные (или измерительные) органы Д1 и Д2 устанавливают меру удаленности места КЗ. Каждый из них выполнен при помощи реле сопротивления, которое срабатывает при КЗ, если

где Zp — сопротивление на зажимах реле; Z — сопротивление защищаемой линии длиной 1 км; L — длина участка линии до места КЗ, км; Zcp — сопротивление срабатывания реле.

Из приведенного соотношения видно, что сопротивление на зажимах реле Zp пропорционально расстоянию L до места КЗ.

Органы выдержки времени РВ2 и РВЗ создают выдержку времени, с которой защита действует на отключение линии при КЗ во второй и третьей зонах. Орган направления Н разрешает работу защиты при направлении тока КЗ от шин в линию.

В схеме предусмотрена блокировка БН, выводящая защиту из действия при повреждениях цепей напряжения, питающих защиту. Дело в том, что если при повреждении цепей напряжение на зажимах защиты Uр=0, то и Zp=0. Это означает, что и пусковой и дистанционный органы могут сработать неправильно. Для предотвращения отключения линии при появлении неисправности в цепях напряжения блокировка снимает с защиты постоянный ток. Оперативный персонал в этом случае обязан быстро восстановить нормальное напряжение на защите. Если по какой-либо причине это не удается выполнить, защиту следует вывести из действия.

Работа дистанционной защиты линий.

При КЗ на линии срабатывают реле пускового органа П и реле органа направления Н. Через контакты этих реле плюс постоянного тока поступит на контакты дистанционных органов и на обмотку реле времени третьей зоны РВ3, приведя его в действие. Если КЗ находится в первой зоне, дистанционной орган Д1 замкнет свои контакты и пошлет импульс на отключение выключателя без выдержки времени.

При КЗ во второй зоне Д1 работать не будет, так как значение сопротивления на зажимах его реле будет больше значения сопротивления срабатывания. В этом случае сработает дистанционный орган второй зоны Д2 который запустит реле времени РВ2. По истечении выдержки времени второй зоны от реле РВ2 поступит импульс на отключение линии.

Если КЗ произойдет в третьей зоне, дистанционные органы Д1 и Д2 работать не будут, так как значения сопротивления на их зажимах больше значений сопротивлений срабатывания. Реле времени РВ3, запущенное в момент возникновения КЗ контактами реле Н, доработает и по истечении выдержки времени третьей зоны пошлет импульс на отключение выключателя линии. Дистанционный орган для третьей зоны защиты, как правило, не устанавливается.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Принцип работы дистанционной защиты в электрических сетях 110 кВ

Дистанционная защита (ДЗ) в электрических сетях класса напряжения 110 кВ выполняет функцию резервной защиты высоковольтных линий, она резервирует дифференциально-фазную защиту линии, которая применяется в качестве основной защиты в электрических сетях 110 кВ. ДЗ выполняет защиту ВЛ от междуфазных коротких замыканий. Рассмотрим принцип работы и устройства, которые осуществляют работу дистанционной защиты в электрических сетях 110 кВ.

Принцип работы дистанционной защиты основан на вычислении расстояния, дистанции до места повреждения. Для вычисления расстояния до места повреждения высоковольтной линии электропередач устройства, выполняющие функции дистанционной защиты, используют значения тока нагрузки и напряжения защищаемой линии. То есть для работы данной защиты используются цепи трансформаторов тока (ТТ) и трансформаторов напряжения (ТН) 110 кВ.

Устройства дистанционной защиты подстраиваются под конкретную линию электропередач, участок энергосистемы таким образом, чтобы обеспечить их ступенчатую защиту.

Например, дистанционная защита одной из линий электропередач имеет три ступени защиты. Первая ступень охватывает практически всю линию, со стороны подстанции, на которой установлена защита, вторая ступень охватывает оставшийся участок линии до смежной подстанции и небольшой участок электрической сети, отходящий от смежной подстанции, третья ступень защищает более дальние участки. В данном случае вторая и третья ступени дистанционной защиты резервируют защиту, расположенную на смежной или более дальней подстанции. Для примера рассмотрим следующую ситуацию.

Воздушная линия 110 кВ соединяет две смежные подстанции А и Б, на обеих подстанциях установлены комплекты дистанционной защиты. При наличии повреждения в начале линии со стороны подстанции А, сработает комплект защиты, установленный на данной подстанции, при этом защита на подстанции Б будет резервировать защиту на подстанции А. В данной случае для защиты А повреждение будет находиться в пределах работы первой ступени, для защиты Б в пределах второй ступени.

Исходя из того, что что чем выше ступень, тем выше время срабатывания защиты, следует, что комплект А сработает быстрее, чем комплект защиты Б. При этом в случае отказа комплекта защиты А через время, заданное на срабатывание второй ступени защиты, сработает комплект Б.

В зависимости от протяженности линии и конфигурации участка энергосистемы для надежной защиты линии подбирается нужное количество ступеней и соответствующая им зона действия.

Как и упоминалось выше, на каждую из ступеней защиты устанавливается свое время срабатывания. В данном случае, чем дальше от подстанции будет повреждение, тем выше уставка времени срабатывания защиты. Таким образом, обеспечивается селективность работы защит на смежных подстанциях.

Существует такое понятие, как ускорение защиты. Если выключатель линии отключился действием дистанционной защиты, то, как правило, одна из ее ступеней ускоряется (сокращается время ее срабатывания) в случае ручного или автоматического повторного включения выключателя.

Дистанционная защита, по принципу работы, выполняет контроль значений сопротивления линии в реальном времени. То есть определение расстояния до места повреждения осуществляется косвенным способом – каждое значение сопротивления линии соответствует значению дистанции до места повреждения.

Таким образом, в случае возникновения междуфазного короткого замыкания на линии электропередач, ДЗ сравнивает значения сопротивления, которые фиксирует в данный момент времени измерительный орган защиты с заданными диапазонами сопротивлений (зонами действия) для каждой из ступеней.

Если по той или иной причине на устройства ДЗ не будет приходить напряжение с ТН-110 кВ, то при достижении определенного значения тока нагрузка защита сработает ложно, обесточив линию электропередач фактически при отсутствии каких-либо повреждений. Для предотвращения подобных ситуаций в устройствах ДЗ предусмотрена функция контроля наличия цепей напряжения, в случае отсутствия которых защита автоматически блокируется.

Также дистанционная защита блокируется в случае возникновения качаний в энергосистеме. Качания возникают при нарушении синхронной работы генератора на том или ином участке энергосистемы. Данное явление сопровождается увеличением тока и снижением напряжения в электрической сети. Для устройств релейной защиты, в том числе ДЗ, качания в энергосистеме воспринимаются как короткое замыкание. Данные явления различаются по скорости изменения электрических величин.

При коротком замыкании изменение тока и напряжения происходит мгновенно, а при возникновении качаний – с небольшой задержкой. На основании этой особенности дистанционная защита имеет функцию блокировки, которая осуществляет блокировку защиты в случае возникновения качаний в энергосистеме.

При возрастании тока и падения напряжения на защищаемой линии блокировка разрешает работу ДЗ на время, достаточное для срабатывания одной из ступеней защиты. Если электрические величины (ток линии, напряжение, сопротивление линии) в течение этого времени не достигли границ заданных уставок защиты, блокировочный орган блокирует защиту. То есть блокировка ДЗ дает сработать защите в случае возникновения реального повреждения, но блокирует защиту в случае возникновения качаний в энергосистеме.

Какие устройства выполняют функцию дистанционной защиты в электрических сетях

Примерно до начала 2000-х годов функцию всех устройств релейной защиты и автоматики, в том числе и функцию дистанционной защиты, выполняли устройства, построенные на реле электромеханического принципа действия.

Одним из наиболее распространенных блоков, построенных на электромеханических реле, является устройства дистанционной защиты ЭПЗ-1636, ЭШЗ 1636, ПЗ 4М/1 и др.

На смену вышеприведенным устройствам пришли многофункциональные микропроцессорные терминалы защит, которые выполняют функцию нескольких защит линии 110 кВ, в том числе и дистанционную защиту линии.

Что касается конкретно дистанционной защиты, то использование микропроцессорных устройств для ее реализации значительно повышает точность ее работы. Также существенным преимуществом является наличие на микропроцессорных терминалах защит функции определения места повреждения (ОМП) – вывод на дисплей расстояния до места повреждения линии, которое фиксирует дистанционная защита. Расстояние указывается с точностью до десятых километра, что позволяет значительно упростить поиск повреждения на линии ремонтными бригадами.

В случае использования комплектов дистанционной защиты старого образца процесс поиска повреждения на линии значительно усложняется, так как на защитах электромеханического типа нет возможности фиксации точного расстояния до места повреждения.

В качестве альтернативы для возможности определения точного расстояния до места повреждения на подстанциях устанавливаются регистраторы аварийных процессов (ПАРМА, РЕКОН, Бреслер и др.), которые фиксируют события на каждом отдельном участке электрической сети.

Если возникнет повреждение на одной из линий электропередач, то регистратор аварийных процессов выдаст информацию о характере повреждения и удаленности его от подстанции с указанием точного расстояния.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Дистанционная защита линий, принцип работы, ступени, формула

Для защиты тупиковых кабельных или воздушных линий с односторонним питанием достаточно максимально-токовой защиты или токовой отсечки. Но, если эти линии подключены последовательно друг за другом или соединяют между собой несколько источников питания, невозможно выполнить такие защиты селективными.

Представим, что от шин подстанции №1 отходит линия, питающая другую подстанцию — №2. А с шин этой следующей подстанции уходит еще одна линия.

При использовании МТЗ на подстанции №1 она должна срабатывать при КЗ на первой линии, но давать возможность подействовать защите подстанции №2 при КЗ на следующей.

Но при этом она должна еще и резервировать защиту второй подстанции, для чего должна подействовать и при КЗ на линии 2. Для этого время действия защит нужно установить так, чтобы на первой подстанции выдержка была больше. К тому же придется разделить логику работы МТЗ на две или более ступеней, выставив для первой из них ток срабатывания, равный расчетному току КЗ в конце первой линии.

А теперь предположим, что с противоположной стороны линию №2 питает еще один источник энергии, не зависимый от первого. Теперь задача усложняется: токи короткого замыкания изменяются. К тому же МТЗ линий потребуется выполнить направленными.

Есть еще один вид защит, который может помочь эффективно отключить именно линию с повреждением – дифференциальная защита. Но для ЛЭП большой протяженности ее выполнить очень непросто.

При использовании же МТЗ и токовых отсечек устройства защиты получаются сложными, к тому же – недостаточно эффективными. Выход из ситуации – применение дистанционных защит.

Принцип действия защиты

Дистанционная защита (ДЗ) – название, говорящее о том, что она реагирует на расстояние до точки короткого замыкания. А если говорить точнее: логика ее работы зависит от места расположения точки замыкания, которое и определяет защита.

Делает она это с помощью устройств, называемых реле сопротивления.

Их задача: косвенным образом измерить сопротивление от места расположения защиты до точки короткого замыкания. А для этого, по закону Ома, ей требуются не только ток, но и напряжение, получаемое от установленного на шинах подстанции трансформатора напряжения.

Реле сопротивления срабатывает при условии:

Здесь Zуст – уставка сопротивления срабатывания реле. Измеряемая величина является фиктивной, так как в некоторых режимах работы (например, при качаниях) ее физический смысл, как сопротивления, теряется.

Уставок срабатывания, а, следовательно, и реле сопротивления у ДЗ, как правило, не менее трех.

Защищаемая область делится на участки, называемые зонами. Время срабатывания для каждой из зон свое. А уставка реле сопротивления равна сопротивлению до точки КЗ в конце соответствующей зоны. Для пояснения вспомним пример с подстанциями и линиями.

Уставка первой зоны ДЗ

Рассчитывается так, чтобы она защищала только свою отходящую линию. Но не до самого конца, а с учетом погрешности измерения сопротивления – 0,7-0,85 ее длины. При срабатывании первой зоны ДЗ линия отключается с минимально возможной выдержкой времени, так как КЗ находится гарантированно на ней.

Вторая зона ДЗ

Резервирует отказ защиты следующей подстанции. Для чего она реагирует на КЗ в конце линии №2. И первая зона ДЗ для выключателя второй линии от подстанции №2 выставлена на сопротивление до той же самой точки КЗ, но уже от шин этой подстанции. Но выдержка времени 2 зоны ДЗ подстанции №1 больше, чем 1 зоны ДЗ подстанции №2.

Этим обеспечивается требуемая селективность: выключатель второй линии от подстанции №2 отключится раньше, чем отработает реле времени защиты на подстанции №1.

Третья зона ДЗ

Необходима для резервирования защиты следующей линии, если она есть в наличии. Дополнительного количества зон не предусматривается.

Интересное видео о настройке дистанционной защиты смотрите ниже:

Устройство и работа комплекта дистанционной защиты.

Тем не менее, на одних реле сопротивления и реле времени такую защиту не выполнить. На практике она включает в себя несколько функциональных блоков.

Пусковые органы ДЗ

Это токовые реле или реле полного сопротивления. Их задача: определить наличие КЗ в защищаемой цепи и запустить работу остальных устройств защиты.

Дистанционные органы.

Набор реле сопротивления для определения зоны срабатывания и дистанции до места КЗ. Устройство, формирующее выдержки времени для зон защиты. Это – обычные реле времени.

Реле направления мощности

На самом деле он применяется редко, так как реле сопротивления конструктивно обладают собственной диаграммой направленности, не позволяющей срабатывать защите при КЗ «за спиной». В итоге исключается срабатывание защиты при замыканиях в направлении, противоположном защищаемой линии.

Органы блокировок

Одно из которых — защита от исчезновения напряжения. При неисправностях цепей ТН ДЗ выводится из действия. Следующая блокировка работает при качаниях в системе. При их возникновении обычно происходит снижение напряжения на шинах и увеличение тока в защищаемых линиях. Эти изменения воспринимаются дистанционными органами защиты как уменьшение сопротивления, из-за чего также не исключена ложная работа защиты.

Применение дистанционной защиты

Дистанционная защита используется в сетях с питанием от двух и более источников.

Это линии связи напряжением 35, 110 кВ и выше, по которым осуществляется транзит электроэнергии.

Особенно эффективна и незаменима ДЗ в кольцевых схемах энергоснабжения, применение которых очень часто для единой энергетической системы страны.

Для всех сетей, где установлена ДЗ, она является основной защитой.

Конструкция ДЗ на электромеханической базе предполагает наличие большого количества элементов: обычных реле, трансформаторов. Для ее размещения выделяется целая панель. Современные же варианты микропроцессорных защит умещаются в одном терминале, соседствуя с другими их видами, а также – возможностью фиксирования срабатываний защит, работы блокировок, запись осциллограмм аварийных процессов. Совмещением нескольких устройств в одном терминале обеспечивается не только компактность, но и удобство в эксплуатации релейной защиты линии.

Ещё одно интересное короткое видео об анализе работы дистанционной защиты:

Источник

Дистанционная защита

Принцип действия дистанционной защиты (ДЗ) основан на определении удаленности до места КЗ путем измерения сопротивления, которое определяется по замеру:

На линиях 110-220 кВ с односторонним питанием ДЗ используется в качестве основной защиты от многофазных КЗ.

На автотрансформаторах 220-750 кВ ДЗ используется в качестве резервной защиты от многофазных КЗ на сторонах высшего и среднего напряжений.

На линиях 110-750 кВ с двухсторонним питанием ДЗ используется в качестве резервной защиты от многофазных КЗ с реализацией:

В современных терминалах защит линий 110-750 кВ предусматривается 4 ступени (зоны) ДЗ:

ДЗ имеет блокировку от качаний при их возникновении и деблокирование при возникновении КЗ в цикле качаний.

ДЗ имеет устройство БНН для контроля исправности цепей напряжения и блокировки защиты в случае их неисправности во избежание ложного срабатывания.

В схемотехнике ДЗ применяются следующие виды ускорения зон защиты:

Ускоряется та зона ДЗ, которая защищает линию во всех режимах. Ускоряемая зона ДЗ уточняется расчетом.

ОУ ДЗ вводится с выдержкой времени 0,2-0,4 с в отсутствии основных защит для обеспечения устойчивости энергосистемы:

Выдержки времени АУ, ОУ и ТУ определяются расчётом.

с выбором параметров с ссылками на РУ и метод. указания

Источник

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

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)

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 III =2 с, и их ложные действия при качаниях и асинхронных режимах маловероятны. Наиболее вероятно ложное действие при качаниях первых ступеней, имеющих t I 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.

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) ).

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).

Источник