Никитин К.И. Релейная защита систем электроснабжения. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 3.5. Карта селективности

3.6 Токовые направленные защиты линий электропередачи

На линиях с двухсторонним питанием или кольцевых часто невозможно со-

гласовать токовые защиты между собой.

Рисунок 3.6. Линия с двухсторонним питанием

В нормальных и аварийных режимах мощность через защиту может иметь

различное направление. Например, при КЗ в точке К2 трудно согласовать между

собой защиты РЗ2 и РЗ3. Если РЗ2 сработает раньше РЗ3, то будут отключены по-

требители подстанции Б. Аналогичная ситуация с защитами РЗ4 и РЗ5.

Чтобы защиты РЗ2, РЗ3 и РЗ

4, РЗ5 не согласовывать между собой, необходи-

мо разделить их действия. Это можно сделать, если блокировать защиту при про-

текании мощности от линии к шинам и разрешать отключать при протекании

мощности от шин в линию.

Рисунок 3.7. Направления действия защит на линии с двухсторонним питанием

Если направление мощности (рис. 3.7), протекаемой через защиту, совпадает

с направлением действия защиты, то защита действует на отключение. При КЗ в

точке К2 сработают защиты РЗ3 и РЗ4, а если откажет одна из них, то должна

сработать РЗ1 или РЗ6 соответственно. Защиты РЗ2 и РЗ5 будут заблокированы,

так как направления действия защит

не совпадают с направлением протекающей

через них мощности.

Направление мощности в релейной защите определяют с помощью специ-

ального реле, называемого «реле направления мощности». К реле подводятся две

электрические величины ― ток и напряжение.

3.7 Схемотехника токовых защит

Обычно токовые защиты используются в сетях 6; 10; 35 кВ, редко ― в

110 кВ. На рис 3.8 приведена схема трехступенчатой токовой направленной защи-

ты для сети с изолированной нейтралью.

По схеме (рис. 3.8) невозможно различить отсечку с ВВ от МТЗ. Отличие от-

сечки от МТЗ состоит в способе обеспечения селективности: селективность от

сечки обеспечивается зоной действия защиты, а селективность МТЗ обеспечива-

ется выдержкой времени. Для обычных ненаправленных защит в схеме отсутст-

вуют реле направления мощности KW1, KW2 и KW3 и их контакты KW1.1,

KW2.1 и KW3.1.

а) б) в)

г)

Рисунок 3.8. Схема трехступенчатой токовой защиты: а) первичные цепи

присоединения; б) вторичные цепи трансформаторов тока; в) вторичные

цепи трансформатора напряжения; г) логическая схема оперативных цепей

постоянного тока

3.8 Токовые и токовые направленные защиты нулевой последователь-

ности в сетях с заземленной нейтралью

В сетях с заземленной нейтралью (110 кВ и

выше) при однофазном и двухфазном КЗ на зем-

лю присутствуют аварийные составляющие ну-

левой последовательности тока и напряжения.

Их использование лежит в основе построения

защиты нулевой последовательности. К достоин-

ствам

защиты следует отнести следующие:

― токи КЗ более резко спадают у нулевой по-

следовательности (рис. 3.9), чем у прямой (со-

противление нулевой последовательности для

ЛЭП в среднем в три раза больше чем сопротив-

ление прямой последовательности X

≈ 3X

), за-

щищаемая зона вследствие этого больше, чем у обычной токовой защиты;

― третью ступень не надо отстраивать от рабочих токов;

― уменьшение выдержек времени последних ступеней;

― необходимо в три раза меньше измерительных реле;

― отсутствие мертвых зон у ОНМ при близких КЗ.

Недостатки защиты:

― защиты не реагируют на

токи трехфазного и двухфазного КЗ;

― необходимо отстраивать или блокировать защиты при неполнофазном ре-

жиме работы;

― необходимо отстраивать защиты от броска тока намагничивания силовых

трансформаторов.

3.9 Первая ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания первой ступени защиты отстраивается:

― от максимального I

0,К1,МАХ

тока КЗ в конце защищаемой линии и рассчитывает-

ся по выражению [7]:

MAX,1К,0ОТС

А,I

З,С,0

I3kI ≥ ; (3.19)

― тока I

0,НЕП

кратковременного неполнофазного режима, возникающего при не-

полнофазном включении фаз выключателя

НЕП,0ОТС

А,I

З,С,0

I3kI ≥ . (3.20)

Время срабатывания защиты также должно быть отстроено от работы раз-

рядников (t

РАЗР

= 0,06…0,08 с), с учетом собственных времен задержек реле, при-

нимается

A,I

З,С,0

= c.

3.10 Вторая ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания второй ступени защиты отстраивается:

― от тока I

I,Б

0,С,З

первой ступени защиты предыдущей линии

Рисунок 3.9. Зависимости то-

ков спадания КЗ прямой и ну-

левой последовательности

в зависимости от длинны ЛЭП

Б,I

З,С,0ТОКОТС

А,II

З,С,0

IkkI ≥ ; (3.21)

― утроенного тока I

0,НЕП

нулевой последовательности, проходящего в месте

установки защиты при длительном неполнофазном режиме на предыдущей линии

НЕП,0ОТС

А,II

З,С,0

I3kI ≥ . (3.22)

Время срабатывания второй ступени защиты принимается обычно не более

II,А

0,С,З

= 1…1,5 c.

3.11 Третья ступень токовой защиты нулевой последовательности

Ток срабатывания третьей ступени защиты отстраивается от тока I

НБ,П,РАСЧ

небаланса при трехфазном КЗ за трансформаторами подстанции противополож-

ных концов участков:

РАСЧ,П,НБ

ОТС

А,III

З,С,0

I ⋅≥

. (3.23)

Время срабатывания третьей ступени должно быть больше времени сраба-

тывания третьей ступени предыдущей линии:

ttt

Б.III

З,С,0

А.III

З,С,0

+≥

, (3.24)

где

А.III

З,С,0

― время срабатывания третьей ступени защиты (рис. 3.3) подстан-

ции А,

Б.III

З,С,0

― время срабатывания третьей ступени защиты подстанции Б;

t ― ступень селективности, обычно

t = 0,5 с.

Иногда на линиях устанавливают четыре ступени токовой защиты нулевой

последовательности. Четвертая ступень рассчитывается по формуле (3.23), а токи

срабатывания второй и третьей ступеней согласуются с первой и должны быть

меньше ее.

3.12 Схемотехника токовых защит нулевой последовательности

На рис 3.10 приведена схема трехступенчатой токовой направленной защиты

нулевой последовательности:

3.13 Токовые и токовые направленные защиты нулевой последователь-

ности в сетях с изолированной нейтралью

Область применения. В сетях с изолированной нейтралью (6-35кВ) при од-

нофазном замыкании на землю присутствуют ток и напряжение нулевой последо-

вательности

. Величина тока однофазного замыкания на землю [8, 9] обычно имеет

небольшую величину (несколько единиц или десятков ампер) и не больше рабо-

чего тока линии, в связи с этим ПУЭ допускает работу поврежденной сети до

двух часов. Однако существуют причины, из-за которых это повреждение необ-

ходимо отключать:

― возникает большой градиент напряженности

электрического поля, следова-

тельно высокое шаговое напряжение, опасное для человека и животного;

а) б) в)

г)

Рисунок 3.10. Схема трехступенчатой токовой защиты нулевой по-

следовательности: а) первичные цепи присоединения; б) вторичные

цепи трансформаторов тока; в) вторичные цепи трансформатора на-

пряжения; г) логическая схема оперативных цепей постоянного тока

― однофазное замыкание на землю обычно сопровождается перемежающей-

ся дугой, что чрезвычайно опасно для взрыво- и пожароопасных предприятий;

―

нулевой потенциал перемещается в поврежденную фазу, а к фазной изо-

ляции неповрежденных фаз прикладывается линейное напряжение в

3 раз

больше номинального. Ослабленная изоляция может не выдержать, произойдет ее

пробой и возникнет двойное замыкание на землю, или двухфазное КЗ;

― перемежающаяся дуга, как известно, сопровождается высокочастотными

гармониками. При наличии индуктивностей и емкостей возникают резонансные

перенапряжения, которые в несколько раз больше номинального, что также может

привести к двойному замыканию на

землю, или двухфазному КЗ.

В сетях с компенсированной нейтралью с точно настроенной индуктивно-

стью отсутствует дуга в месте повреждения, но все остальные негативные призна-

ки воздействия остаются.

С учетом вышеупомянутых негативных воздействий к защите от замыканий

на землю предъявляются следующие требования:

― защита действует на сигнал в сетях, где допускается работа с повреждени-

ем до двух часов;

― защита должна действовать без выдержки времени во взрывоопасных и

пожароопасных производствах, строительных и некоторых других видах произ-

водства;

― защита должна удовлетворять требованиям селективности при внешних

замыканиях;

― в целях упрощения допустимо не устанавливать

защиту на электроуста-

новках, удаленных от источников питания, или когда вероятность однофазного

замыкания мала;

― защита должна чувствовать однофазное замыкание через перемежающую-

ся дугу;

― желательно иметь непрерывность действия защиты, а не только в первый

момент времени при перезаряде емкостей сети.

Процессы, протекающие в нормальном режиме в сети с изолированной

нейтралью.

В нормальном режиме емкостные токи каждой фазы стекают вдоль каждой

линии. Результирующий ток нулевой последовательности на каждой линии равен

нулю.

Процессы, протекающие при однофазном замыкании в сети с изолиро-

ванной нейтралью.

При однофазном замыкании в точке З (рис. 3.12) на линии Wn токи неповре-

жденных линий меняют направление на противоположное, но

величины остаются

такими же, какие были до ОЗЗ. Ток

поврежденного присоединения W1 скла-

дывается из суммарного тока всех неповрежденных присоединений

, I

,…I

C(n-

, а также части k

ПОВР

генерируемого емкостного тока поврежденного присое-

динения от шин до места повреждения:

CnПОВР)1n(C2C1C)ПОВР(Cn

IkI...III

−

. (3.26)

Рассчитать этот ток ОЗЗ, протекающий через переходное сопротивление ду-

ги, можно по следующему выражению:

0CД

СР,Ф

jxr3

−

, (3.27)

где

― сопротивление дуги, x

― суммарное емкостное сопротивление сети; а

ток металлического замыкания соответствуют формуле

СР,Ф

j3I =

. (3.28)

Особенности процессов, протекающих в сети с изолированной нейтра-

лью. Основной особенностью процессов, протекающих в сети с изолированной

нейтралью, являются феррорезонансные явления.

При равенстве сопротивления суммарной индуктивности трансформаторов

напряжения и сопротивления суммарной емкости сети на частоте f/2 и f/3 может

возникнуть резонанс. Обычно толчком для феррорезонанса является отключение

или включение присоединения или

возникновение однофазного замыкания на

землю. Во время резонанса напряжение нулевой последовательности может уве-

личиваться в несколько раз, повреждая при этом трансформатор напряжения.

Кроме того, при феррорезонансе ложно срабатывают защиты от замыканий на

землю и устройства сигнализации замыканий на землю.

Рисунок 3.12. Емкостные токи, протекающие в режиме однофазного

замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

Поэтому в настоящее время разработаны и используются антирезонансные

трансформаторы напряжения (типа НАМИ), предотвращающие такие негативные

явления.

Расчет тока срабатывания защиты от замыканий на землю сводится к

отстройке от собственного емкостного тока нулевой последовательности:

ФЛБРОТСЗ,C

UC3kkI

, (3.29)

где

ОТС

― коэффициент отстройки; k

ОТС

= 1,1…1,3; k

БР

― коэффициент броска,

учитывающий переходный процесс перезаряда емкостей ВЛЭП;

БР

= 4…5 ― для

защит, не имеющих выдержку времени и не отстроенных от высших гармоник,

БР

= 2…3 ― для защит, имеющих выдержку времени или отстроенных от выс-

ших гармоник.

Коэффициент чувствительности защиты для воздушных ЛЭП рассчитывается

по выражению

5,1

З,C

≥= , (3.30)

для кабельных ЛЭП должно выполняться соотношение

≥

1,25.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия токовых защит ЛЭП.

2. Первая ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатыва-

ния, проверка чувствительности.

3. Вторая ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатыва-

ния, проверка чувствительности.

4. Третья ступень токовой защиты ЛЭП. Расчет тока и времени срабатыва-

ния, проверка чувствительности.

5. Схема трехступенчатой токовой защиты ЛЭП. Принцип работы.

6. Как строится

карта селективности трехступенчатой токовой защиты ЛЭП?

7. Предназначение токовой направленной защиты. Область использования.

8. Первая Ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для се-

ти с заземленной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чув-

ствительности.

9. Вторая ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для се-

ти с заземленной нейтралью. Расчет тока и

времени срабатывания, проверка чув-

ствительности.

10. Третья ступень токовой защиты нулевой последовательности ЛЭП для

сети с заземленной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка

чувствительности.

11. Токовая защита нулевой последовательности ЛЭП для сети с изолирован-

ной нейтралью. Расчет тока и времени срабатывания, проверка чувствительности.

ЛЕКЦИЯ 4

4.1 Дистанционные защиты ЛЭП

Принцип действия. Измерительным органом дистанционной защиты явля-

ется реле сопротивления. Оно вычисляет сопротивление, подводимое к реле, с

помощью двух (рис. 4.1) электрических величин (как в реле направления мощно-

сти) – тока и напряжения:

(4.1)

где

– сопротивление,

подведенное на зажимы ре-

ле KZ1;

, I

– первичные

напряжение и ток линии

W1;

, k

– коэффициенты

трансфор-мации трансфор-

маторов напряжения TV1 и тока TA1;

, I

– вторичные напряжение и ток, под-

веденные на зажимы реле KZ1. Обычно сопротивление Z

вычисляется косвенно.

Реле сопротивления является реле минимального действия, так как оно срабаты-

вает при снижении подводимого сопротивления меньше уставки.

Область применения. Используется в сетях U = 110 кВ и выше, а также в

сетях U = 6–35 кВ, если сеть имеет несколько источников питания или традици-

онная токовая защита не обеспечивает требуемой чувствительности [10, 11, 12].

Защита применяется от

всех многофазных и однофазных КЗ в сети с заземленной

нейтралью.

4.2 Характеристики срабатывания дистанционной защиты

В реле сопротивления формируют специальные характеристики срабатыва-

ния, которые изображают в комплексной плоскости сопротивления.

Самая простая дистанционная защита – ненаправленная (называемая «реле

полного сопротивления»), имеющая круговую характеристику, с центром в начале

координат (рис. 4.2,а), причем заштрихованная область

внутри окружности явля-

ется областью срабатывания. В отличие от обычной токовой ненаправленной за-

щиты она имеет то преимущество, что использует дополнительный параметр –

напряжение, которое при КЗ также изменяется, повышая чувствительность защи-

ты. Реле с такой характеристикой обычно используется в сетях 6-35 кВ. Круговая

характеристика (рис. 4.2,б), проходящая через центр координат, является

направ-

ленной, так как величина сопротивления срабатывания изменяется в зависимости

от угла вектора сопротивления. Часто такая характеристика используется в пер-

вых (рис. 4.2,б ― окружность 1) и во вторых (рис. 4.2,б ― окружность 2) ступе-

нях дистанционной защиты.

Рисунок 4.1. Схема включения дистанционной

защиты

Эллиптические характеристики (рис. 4.2,в) используются обычно в качестве

второй и третьей ступеней. Трапецеидальные (рис. 4.2,г) и треугольная (рис. 4.2,д)

характеристики используются для третьей ступени дистанционной защиты. Две

круговые характеристики (рис. 4.2,е) используются для измерительного органа

однофазного АПВ. В современных микропроцессорных защитах наряду с круго-

выми используются полигональные характеристики срабатывания с учетом

огра-

ничения по области нагрузок (рис. 4.2,ж) и повышенной чувствительности к КЗ на

землю (рис. 4.2,з), а также в качестве пускового органа (рис. 4.2,и)

а) б) в)

г) д) е)

ж) з) и)

Рисунок 4.2. Характеристики срабатывания дистанционной защиты

Кроме перечисленных выше характеристик срабатывания дистанционной

защиты, могут использоваться и другие, ― например, в электрических сетях же-