Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

Реле с характеристикой в виде многоугольника. Подобная

характеристика направленных РС, имеющая форму четырех-

угольника, показана на рис. 11.14, д. Сопоставляя эту харак-

теристику с площадью ОКК'К" на рис.

11.13,

д, можно устано-

вить,

что четырехугольная характеристика реле в большей

мере, чем другие характеристики, совпадает с контуром об-

ласти расположения векторов 2

при КЗ и является с этой

точки зрения наиболее рациональной.

Пунктиром показан вариант характеристики О

А'

и ВС', преду-

сматривающий расширение зоны реле для обеспечения его

действия при двустороннем питании КЗ через переходное

сопротивление.

На рис. 11.14, е показана характеристика, имеющая форму

треугольника, применяемая для третьей зоны ДЗ. Она позво-

ляет отстроиться от 2

при больших значениях тока нагрузки

•^раб

тах!

чему соответствует минимальное значение

ра6т1П

= 0,9[/

ном

раб тах

, и допускает срабатывание РС при значитель-

ном переходном сопротивлении К

в случае удаленных КЗ.

Реле реактивного сопротивления срабатывает при Х

ср

5ш

с р

= К, где К - постоянная величина. Характери-

стика таких РС изображается прямой линией, параллельной

оси X (рис. 11.14, ж), отстоящей от нее на расстоянии Х

с-р

= К.

11.7.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ДЗ В КАЧЕСТВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ,

И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОНСТРУКЦИЯМ

Элементные базы изготовления РС. Первоначально РС,

как и другие виды реле, выполнялись на электромеханиче-

ских элементах главным образом на индукционном принципе.

С развитием полупроводниковой техники получили широкое

применение статические конструкции РС сначала на полупро-

водниковых приборах, выполняемые из отдельных (дискрет-

ных) элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденса-

торов.

В 70-х годах отечественная промышленность перешла на вы-

пуск РС только на выпрямленном токе с использованием дис-

кретных полупроводниковых приборов. В связи с развитием

микроэлектронной техники на базе интегральных микросхем

(ИМС) последние стали применяться в качестве новой эле-

381

ментной базы при построении РС. Использование ИМС, а также

элементов вычислительной техники открыло пути дальнейшего

совершенствования характеристик и параметров ИО ДЗ. Появи-

лась возможность уменьшения габаритов, потребления, выпол-

нения РС с характеристиками сложной формы, а также повыше-

ния надежности реле, в частности за счет внедрения автомати-

ческих схем непрерывного контроля исправности измеритель-

ных и логических элементов ДЗ. Отечественная промышлен-

ность в 80-х годах начала выпуск РС с улучшенными параметра-

ми на интегральных операционных усилителях. Значительные

успехи в широком применении сверхбольших ИМС (СБИМС)

и создании на их основе микропроцессоров и микроЭВМ позво-

ляют приступить и в нашей стране к применению дистанцион-

ных защит на микропроцессорной базе. Разработка и изготов-

ление таких отечественных РЗ уже начаты [20,21].

Принципы выполнения статических РС. Все разновидности

РС основаны на сравнении абсолютных значений или фаз двух

или нескольких электрических величин. Эти величины пред-

ставляют собой синусоидальные напряжения у

, у

, ...,

У„[11

1т

зш

ы1,

= 11

2т

зт(ьа + ф

) и т. д.]. Каждое из них являет-

ся линейной функцией напряжения Ц, и тока 1

, измеряемых

в месте установки РЗ. Сравниваемые напряжения образуются

из У

и /

по выражениям, аналогичным (2.38):

И2

1!2Ур

&г/р;

Ып

шУр + *&п/р-

Коэффициенты Кц

- Кц

(11.14) являются постоянными

величинами. Их значения определяют форму и уставки харак-

теристики срабатывания. Коэффициенты К

1х

- К

1п

представля-

ют собой комплексы, имеющие размерность сопротивлений,

а К

и1

- Кц

- действительные числа.

Реле сопротивления с характеристиками срабатывания в ви-

де окружности, эллипса (овала) и прямой линии (рис. 11.14, а-г, ж)

выполняются по принципу сравнения двух напряжений

и У

по (11.14). Для получения реле с характеристикой в

форме треугольника или четырехугольника (рис. 11.14, е, д)

(11.14)

382

производится сравнение трех или четырех напряжений V\,

. Ц» ^-

Напряжение у

- С/

целесообразно выразить через сопротив-

ления 2

, поскольку поведение РС зависит от их значений.

Для этого следует преобразовать правую часть уравнений

(11.14),

вынеся за скобки /

и коэффициент Кц при у~

, тогда

с учетом того, что С/

, получим:

Ух = КглЬ

"^ = ^Ш/

(2р -2

);

(11.14а)

Ип -

ш1р \

р - -^— = ^ап/р(

р -

п)-

Здесь принято, что 2

= --——, ..., 2

= -——. Сопротивле-

ния 2

и 2,

являются постоянными комплексными величи-

нами, определяющими форму характеристики и уставки сра-

батывания реле.

Реле сопротивления на полупроводниковых элементах вы-

полняются на сравнении абсолютных значений и на сравнении

фаз.

Последние более быстродействующие (они могут срабаты-

вать в течение полупериода промышленной частоты, т. е. с

I * 0,01 с) и проще в исполнении. Поэтому РС, построенные на

сравнении фаз, находят все более широкое применение. Ниже

рассмотрены принципы построения РС обоих видов.

Общая структурная схема дистанционного органа. Реле со-

противления, выполняющие функции ДО, построенные на

сравнении фаз или абсолютных значений электрических вели-

чин, выполненные на полупроводниках в виде дискретных

элементов или ИМС, имеют одинаковую структурную схему

(рис.

11.15). Рассматривается общий случай сравнения п напря-

жений I)\ -

образованных по (11.14). Реле состоит из четырех

частей: 1 - преобразователей напряжения Пц (ПТН) и тока П;

(ПТТ или ПТР); 2 - устройств формирования сравниваемых на-

пряжений УФ; 3 - устройства УС, осуществляющего сравнение

электрических величин по абсолютному значению или по фа-

зе;

- реагирующего и исполнительного органа РО.

383

з|

УС

Рис.

11.15. Структурная схема полупро-

водникового реле сопротивления

•ТТ

ТТ

"ЛтТ'т

Напряжение [/

и ток /

от измерительных ТТ и ТН подводят-

ся к Пу и Щ, которые преобразуют исходные величины 1/

в пропорциональные им напряжения: у

= К

и С/

= К

Гр.

Эти напряжения по (11.14а) подаются к формирователям УФ.

Каждый формирователь представляет собой сумматор, пре-

образующий входные напряжения в сравниваемые величины

по (11.14) и осуществляющий их суммирование. Например,

в сумматоре п образуется два напряжения

Кц

1п

они

суммируются, и на выходе УФ появляется напряжение у„ =

Кц

+ К

1п

по (11.14). Аналогично образуются напряжения

на выходе остальных сумматоров. В зависимости от принципа

работы РС в состав устройства формирования могут входить

выпрямители синусоидальных величин, получаемых от преоб-

разователей Ц, и /

(И

частотные фильтры, подавляющие токи

высших гармоник. Напряжения 1/

с выхода УФ поступают

на вход схемы сравнения УС. Здесь производится их сравнение

по модулю или по фазе в соответствии с заданным условием

(алгоритмом) срабатывания РС. В результате на выходе УС

появляется напряжение 1/

вых

, значение или знак которого за-

висит от соотношения абсолютных значений или от фаз срав-

ниваемых величин. Выходной сигнал поступает на РО. При

определенных значениях амплитуд или фаз сравниваемых на-

пряжений, соответствующих повреждению в зоне действия

РС,

на выходе РО появляется сигнал о срабатывании реле в

виде [/

вых

> 1/

с-р

Основные требования к ДО (РС). 1. Реле сопротивления

I ступени должны быть быстродействующими: *

ср

= 0,01 -*- 0,02 с

в сетях 500 кВ, *

ср

= 0,02

•*•

0,04 с в сетях 110-220 кВ.

Реле сопротивления, выполняющие функции ИО I, II и

III ступеней ДЗ, должны иметь высокую точность при срабаты-

вании в конце зоны их действия: Д2 = 2

384

Измерительные органы II ступени должны иметь

в03

= 2

/2Г

ср

3* 1,05 -г- 1,1, что позволит повысить их чувствитель-

ность.

Реле сопротивления не должны работать в переходных ре-

жимах при наличии в токе и напряжении апериодических со-

ставляющих и составляющих с частотой, отличающейся от

Гц.

РС должны обладать высокой помехоустойчивостью, ис-

ключающей их ложное срабатывание от воздействия внешних

и внутренних помех.

6. РС должны быть надежными и простыми в эксплуатации,

иметь возможно меньшее потребление мощности в цепях тока.

И.8.

РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ДИОДНЫХ СХЕМАХ СРАВНЕНИЯ

АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Принципы выполнения. Полупроводниковые РС, основан-

ные на сравнении абсолютных значений двух электрических

величин, обычно выполняются посредством сравнения этих

величин после их выпрямления диодными выпрямителями.

В качестве сравниваемых величин служат напряжения \]

и С/

, образованные из Ц, и /

по (11.14). Принцип устройства и

работы РС, построенных на сравнении двух выпрямленных на-

пряжений, поясняется схемой на рис. 11.16, уточняющей схему

на рис. 11.15 в части выполнения структуры УФ и схемы сравне-

ния. Реле состоит из суммирующих устройств 1 и 2, формиру-

ющих напряжения V\ и Г7

по (11.14), двухполупериодных вы-

прямителей на полупроводниковых диодах 3 и 4, образующих

схему сравнения 5 на балансе напряжений или токов, и реаги-

рующего органа 6, выдающего сигнал о срабатывании РС [52,

53].

Входные сигналы 17

и /

поступают на входные блоки 1 и

(рис.

11.16). Эти блоки преобразуют Ц, и

в пропорциональные

им синусоидальные напряжения КуУ$ и К

и производят

их геометрическое сложение. В результате на выходе блоков

1 и 2 появляются два синусоидальных напряжения С^ и (7

Каждое из них выпрямляется диодными выпрямителями 3

Напряжения 1^1 и

полученные на выходе выпрямите-

лей (или пропорциональные им токи I/! | и

|),

подводятся

к схеме сравнения 5, где вычитаются один из другого. На выхо-

385

7 ' ' ^

ис

- 11-16. Функциональная схема реле со-

61 РО

\ противления на выпрямленном токе

—[№1(-—-\Ш

Ш ®*

«гй,

ттт

шх

'О ..г

ЧгКиУр-Ы,

де схемы сравнения образуется напряжение |с/

ых|

\Ч\\ ~

- \и

\ или ток |/

вых

| = \1

\ - |/

|, которые поступают на вход

РО 6, выполненного в виде нуль-индикатора (НИ), реагиру-

ющего на знак

вых

При

| Ц

напряжение 11

въа

имеет

положительный знак, и РО срабатывает.

В нормальном режиме напряжение 1/

равно номинально-

му, а ток / равен току нагрузки. Он сравнительно мал, поэто-

му у

\к

и2

превосходит У

КГ^

и РС не рабо-

тает. При КЗ в зоне действия реле ток /

возрастает, а напря-

жение II снижается, в результате II^ становится больше 11

и РС приходит в действие. При КЗ за пределами зоны (хотя

ток /

увеличивается, Ц, - уменьшается) параметры схемы РС

и уставки подобраны так, чтобы напряжение 11

превосходи-

ло II\, поэтому РС не может сработать. Напряжение II

называ-

ется рабочим, поскольку под его воздействием РС срабаты-

вает, а напряжение - противодействующее срабатыванию,

V2 - тормозным.

Таким образом, поведение реле, построенных по рассмот-

ренной функциональной схеме, зависит от соотношения зна-

чений сравниваемых напряжений V\ и II

: реле срабатыва-

ет, если

и не действует, если II

< И

. По этой схеме

можно выполнить РС с характеристиками срабатывания в ви-

де окружности, проходящей через начало координат, окружно-

сти с центром в начале координат или смещенной относительно

него в I либо III квадрант комплексной плоскости, как пока-

зано на рис. 11.14, а-в. На базе этой же схемы можно получить

РС с эллиптической характеристикой (в виде овала). Реле со-

противления, построенные на подобном принципе, использу-

ются в ДЗ панели типа ЭПЗ-1636, выпускаемой ЧЭАЗ, и широко

386

применяются в отечественных энергосистемах (так как более

90%

ДЗ еще находятся в эксплуатации), поэтому ниже на

рис.

11.17 и 11.18 кратко рассматриваются конкретные схемы

этих РС.

Направленное РС с круговой характеристикой срабатывания

(рис.

11.17, б) основано на сравнении двух напряжений I/, и С/

образованных по (11.14), в которых для получения характери-

стики срабатывания в виде окружности, проходящей через на-

чало координат, принято, что К

и1

= 0, а при 1

коэффициент

1г

= Щ

= -

Щ.

С учетом этого выражения сравниваемых вели-

чин имеют следующий вид:

Ыг=Ы

1 Ы2=

ци

-Ы

- (Н.15)

Сравниваемые напряжения: рабочее у

(действующее на сра-

батывание) и тормозное Ц

(ему противодействующее) форми-

руются преобразователями (тока 1

и напряжения !7

) и сумма-

тором, состоящим из вспомогательного трансформатора напря-

жения ТУ1 и трансреактора ТАУ1 с двумя первичными

\м1

вторичными м)2 обмотками. Обе пары первичных и вторичных

обмоток ТАУ1 имеют одинаковое число витков. Каждая вторич-

ная обмотка замкнута на одинаковые активные сопротивле-

ния

К9,

К11

или

К10,

К12.

Примем, что рассматриваемое РС вклю-

чено на Удд

/р

1А

/в (реле, включенные на фазы ВС и СА,

выполняются аналогично). Напряжение Ц

трансформируется

на вторичную сторону ТУ1, образуя напряжение

КуУ

где

Ку - коэффициент трансформации ТУ1. Под действием токов

1д и 1в в каждой вторичной обмотке трансреактора ТАУ1 ин-

дуцируются одинаковые ЭДС Е = -;К//

, пропорциональные

разности первичных токов, сдвинутые от него на 90°

(рис.

11.17, в). Под действием ЭДС Е в контурах вторичных об-

моток возникают одинаковые токи 1

= Е/(Я + ]Х) = 1

, отста-

ющие от Е на угол б, определяемый отношением X и К вторич-

ного контура. Напряжения у'

= у

" = /

.К

сдвинуты относи-

тельно ЭДС Е на угол б, так же как и ток

(рис.

11.17,

в). С уче-

том того, что/

= /

, напряжение у

= К

. Здесь К} - коэффи-

циент преобразования тока 1

в напряжение у

, представляет

собой комплексную величину, сдвинутую относительно век-

тора /

на угол

= 90° - 6. Модуль К/ и угол сдвига

зависят от

параметров трансреактора (отношения витков и^/м^, Хц, ветви

намагничивания ТАУ, сопротивления Д

387

Рис.

11.17. Принципиальная схема полупроводникового реле сопротивления

в комплекте типа ДЗ-2:

—

упрощенная схема сравнения; 6

—

схема РС; в — векторная диаграмма

трансреактора; г

—

характеристика реле

388

'*! 1

Рис.

11.18. Обеспечение надежного действия реле сопротивления при КЗ в нача-

ле защищаемой зоны:

—

схема защищаемого участка сети; б

—

характеристика реле; е

—

схема

трансреактора, обеспечивающего действие реле по памяти; г

—

векторная диа-

грамма напряжений и тока в контуре памяти; д

—

затухание тока в контуре па-

мяти

Напряжения [/

, [/

(рис. 11.17, а), полученные со вторичных

зажимов ТУ1 и ТАУ1, используются для образования у

к Ц

Рабочее напряжение У

= К/7

подводится к выпрямителю У51.

Тормозное напряжение Ц

образуется геометрическим сумми-

рованием [/

КуУ

и [/

=-К|/

. Полученное таким образом

напряжение [/

КуИ

- К^ подается на вход выпрямите-

ля У52. Выпрямленные напряжения | Ц

| и | Ц

| сопоставляют-

ся по значению в схеме сравнения на балансе напряжений.

Результирующее напряжение на выходных зажимах схемы срав-

нения 1/

вых

= 1^1 - \У

\- Реагирующий орган, подключенный

к выходным зажимам, является нуль-индикатором (НИ) ЕА,

реагирующим на знак 1/

вых

. В качестве НИ может служить

высокочувствительное магнитоэлектрическое реле (см. § 2.14).

В последних отечественных конструкциях ДЗ нуль-индика-

тор выполняется с использованием интегральных операцион-

ных усилителей (ОУ) (см.

2.19). Для сглаживания пульсации

389

^вых устанавливается частотный фильтр-пробка Е

(рис.

11.17, б), который не пропускает в ЕА переменную состав-

ляющую

100

Гц. В результате этого на вход ЕА поступает Г/

ых

схемы сравнения, равное разности постоянных составляющих

выпрямленных напряжений

С/

| и

иначе говоря, разности

их средних значений за период переменной составляющей

(100Гц). Реле (НИ) срабатывает при \Ц

| >

|{/

Начало дейст-

вия реле характеризуется равенством |

С7

| =

или

1&/

= |%1/р-&1

|- (Н.16)

Это условие действия реле на грани его срабатывания можно

выразить через 2

ср

. Разделим для этого обе части равенства

(11.16) на К

и /

, учтя, что 2

удовлетворяющее усло-

вию (11.16), является 2

ср

Ур

«Г

_'р

После преобразоЕ

^С.р

— = 2К.

«1/

(11.16а)

Уравнение (11.16а) является характеристикой срабатывания

направленного РС, имеющего форму окружности, проходящей

через начало координат (см. рис. 11.14,6). Радиус этой окруж-

ности К равен |К}/К[;|; вектор К^Кц определяет положение

центра окружности относительно начала координат на комп-

лексной плоскости К, }Х с заданной уставкой 2

Сопротивление срабатывания 2

ср

направленного РС непо-

стоянно, изменяется с изменением Ф

(угла сопротивле-

ния 2

), что видно из рис. 11.17, г. При ф

= ф

мч

сопротивление

К/

ср

имеет максимальное значение

сртах

= 2

= 2——. Угол

вектора 2

С р тах

равен углу вектора К/, это означает, что Ф

= 90

- 6 и определяется параметрами X и К трансреакто-

ра ТУ1 (рис. 11.17, а).

При всех других значениях ф

Ф Ф

, 2

ср

= 2

с-ртах

со5(Ф

м-ч

- Ф

) = 2^-со5(Ф

- Ф

390