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

Подождите немного. Документ загружается.

лезной дороги используется характеристика, которая называется «замочная сква-

жина».

Чтобы чувствительность дистанционной защиты была максимальной при КЗ

и чтобы она ложно не срабатывала при наибольшей нагрузке, характеристики

срабатывания имеют формы, изображенные на рис. 4.2. Уставка угла максималь-

ной чувствительности должна быть равна углу ЛЭП:

МЧ

ЛЭП

, (4.2)

где угол ЛЭП в свою очередь оп-

ределяется по формуле

ЛЭП

arctg=

. Обычно

ЛЭП

= 45…78° и зависит от сече-

ния провода, класса напряжения,

т.е. расстояния между проводами.

В то же время надо помнить, что

желаемый cos

НАГР

= 0,7…1,0,

при этом

НАГР

= 45…0°. В связи с вышесказанным можно нарисовать на ком-

плексной плоскости сопротивления область (рис. 4.3), при попадании в которую

защита должна срабатывать (область КЗ на ЛЭП) или не должна срабатывать (об-

ласть нагрузки).

4.3 Реализация реле сопротивления

Наиболее общая структурная

схема реле сопротивления приведе-

на на рис. 4.4 (подобную структуру

имеет реле

направления мощности).

На рисунке 4.4 обозначены: ПТ

и ПН – преобразователи тока и на-

пряжения; У – уставка; СС1 и СС2 –

схемы сравнения; ИО – исполни-

тельный орган. В явном или косвен-

ном виде реле сопротивления имеет

такую структуру. Входной ток I

ВХ

входное напряжение U

ВХ

преобра-

зуются ПН и ПТ в напряжения U

. Сигналы U

и U

могут быть как

дискретными, так и аналоговыми. В зависимости от этого СС1 может быть как

логическим элементом, например И, так и специальной фазосравнивающей схе-

мой аналоговых сигналов. В схеме сравнения СС1 происходит вычисление сигна-

ла, пропорционального Z

. Схема сравнения СС2 сравнивает вычисленную вели-

чину с уставкой У и, если последняя больше, подает команду исполнительному

органу на отключение.

Рисунок 4.4. Структурная схема

реле сопротивления

Рисунок 4.3. Области сопротивлений нагрузки и КЗ

на ЛЭП

4.4 Первая ступень дистанционной защиты

Сопротивление срабатывания. Аналогично токовой защите первой ступени

первая ступень дистанционной защиты должна быть отстроена от КЗ в конце за-

щищаемой линии, то есть:

УД1W

А,I

З,С

ZlZ < , (4.3)

где

– длина защищаемой линии W1 (рис. 4.3); Z

УД

– удельное сопротивление

линии W1.

Чтобы требование селективности было обеспечено и условие выполнялось с

необходимым запасом, запишем (4.3) следующим образом:

ОТС

А,I

З,С

ZkZ ≤ , (4.4)

где

ОТС

k ― коэффициент отстройки;

ОТС

k = 0,8…0,9, Z

– сопротивление линии

W1,

УД1W1W

ZlZ =

Зона, защищаемая дистанционной защитой, составляет 80…90% от всей дли-

ны линии W1 (рис. 4.5).

Время срабатывания защиты выбирается аналогично токовым защитам –

для всех первых ступеней дистанционной защиты принимается

С,З

=0 (для защит,

которые имеют собственную задержку на срабатывание

С,З

>0,08 с, так как быст-

родействующая защита должна быть отстроена от времени работы разрядников,

которое равно

РАЗР

=0,06 – 0,08 с).

Чувствительность I ступени дистанционной защиты не проверяется, так как

она защищает 80―90% линии.

Рисунок 4.5. Линия электропередачи, защищаемая дистанционной защитой

4.5 Вторая ступень дистанционной защиты

Сопротивление срабатывания. Вторая ступень дистанционной защиты

отстраивается от конца зоны (рис. 4.6) действия I ступени защиты предыдущей

линии W2, исходя из этого условия сопротивление ее срабатывания соответству-

ют выражению:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+≤

∗

Б,ТОК

Б,I

З,С

ОТСУД1W

ОТС

А,II

З,С

kZlkZ

, (4.5)

Рисунок 4.6. Отстройка II ступени дистанционной защиты и зона ее действия

или вторая ступень дистанционной защиты отстраивается от КЗ за трансформато-

ром Т1 приемной подстанции в точке К3, из этого условия сопротивление ее сра-

батывания определяется следующим образом:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+≤

∗∗

Т,ТОК

MIN,Т

ОТСУД1W

ОТС

А,II

З,С

kZlkZ

, (4.6)

где

ТОК,Б

― коэффициент токораспределения, учитывающий несоответствие то-

ков в защите KZ1 и в линии W2 подстанции Б при КЗ в K2;

ТОК,Б

― коэффициент

токораспределения, учитывающий несоответствие токов в защите KZ1 и в транс-

форматоре Т1 подстанции Б при КЗ в K3;

ОТС

k ― коэффициент отстройки,

обычно

ОТС

≈

ОТС

k ;

∗

ОТС

k ― коэффициент учитывает возможность отрицатель-

ной погрешности органа сопротивления защит подстанции Б,

∗

ОТС

k <1;

∗

ОТС

k ―

коэффициент учитывает погрешности измерения при K

(2)

за трансформатором с

соединением обмоток Υ/Δ, часто принимается

∗

ОТС

k = 1.

Время срабатывания защиты (аналогично токовым защитам) ― для всех

вторых ступеней ДЗ принимается

З,С

= 0,5 c (

― ступень селективно-

сти).

Чувствительность второй ступени дистанционной защиты проверяется из

соотношения:

5,1

З,С

ОТС

≥≥ , (4.7)

где

― сопротивление до места короткого замыкания в точке К1.

4.6 Третья ступень дистанционной защиты

Сопротивление срабатывания. Аналогично токовым защитам третья сту-

пень дистанционной защиты отстраивается от наиболее тяжелого рабочего режи-

ма (сопротивление при этом наименьшее):

MIN,РАБ

III

З,С

ZZ < . (4.8)

Однако более тяжелым является условие возврата реле сопротивления при от-

ключении К1 (рис. 4.6) и возникшем самозапуске нагрузки:

СЗП

III

З,В

ZZ < . (4.9)

По аналогии с МТЗ (3.13), из формулы (4.9) нетрудно получить:

MAX,РCЗПВ

MIN,Р

III

ОТС

А,III

З,С

Ikk

Z ≤

, (4.10)

где

III

ОТС

k ― коэффициент отстройки, обычно

III

ОТС

≈

ОТС

k ;

― коэффициент

возврата реле сопротивления,

>1;

MIN,Р

U ― минимальное напряжение, кото-

рое присутствует при самозапуске нагрузки после отключения КЗ в точке К1. Вы-

ражение (4.10) относится к третьей ступени дистанционной защиты с круговой

характеристикой срабатывания (рис. 4.2,а) с центром в начале координат. Сопро-

тивление срабатывания защиты с учетом направленности дистанционной защиты,

т.е. со специальными характеристиками записывается:

―

для круговой 2 ХС (рис. 4.2,б), проходящей [13] через начало координат:

ϕΔ

cos

MIN.РАБЭ,ОТС

= , (4.11)

где

ОТС,Э

― эквивалентный коэффициент, равный

CЗПВ

III

ОТС

Э,ОТС

k =

;

MIN,РАБ

―минимальное сопротивление максимального рабочего режима,

MAX,Р

MIN,Р

MIN,РАБ

Z =

;

Δϕ

― разница

Δϕ

МЧ

, между углами

― рабочего

режима при самозапуске нагрузки и

МЧ

― максимальной чувствительности ус-

тавки защиты;

― для круговой 3 ХС (рис. 4.2,б), смещенной в III (I) квадрант на величину

СМ

(-Z

СМ

) [14]:

СМMIN.РАБЭ,ОТС

СМMIN.РАБЭ,ОТСMIN.РАБЭ,ОТС

III

З,С

ZcosZk

)cosZZk(Zk

ϕΔ

; (4.12)

― для эллиптической 1 ХС (рис .4.2,в), проходящей через начало координат:

ϕΔ

cos

sin

cosZk

MAX,РАБОТС

III

З,С

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, (4.13)

где

― эллипсность (эксцентриситет), отношение малого радиуса эллипса к

большому;

― для эллиптической ХС 2 (рис. 4.2,в), смещенной в третий квадрант на ве-

личину

СМ

MIN,РАБЭ,ОТС

CМ

MIN,РАБЭ,ОТС

III

З,C

cos

cosZ

sin

cosZk

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ϕΔ

; (4.14)

― для треугольной ХС (рис. 4.2. д):

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

<<<<

⋅=

−

)11547(,11535при

sinZk04,1

)7590cos(

sinZk

РАБ

РАБMIN,РАБЭ,ОТС

III

З,C

ϕϕ

; (4.15)

― для трапецеидальной ХС (рис. 4.2,г):

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

−

РАБ

РАБMIN,РАБЭ,ОТС

РАБ

РАБРАБMIN,РАБЭ,ОТС

РАБ

РАБMIN,РАБЭ,ОТС

РАБ

РАБРАБMIN,РАБЭ,ОТС

III

З,C

339201при

15,0

sinZk

201127при

5,1

)cos3,3(sinZk

12753приsinZk

53339при

5,1

)sincos3,3(Zk

ϕϕ

. (4.16)

Время срабатывания третьей ступени дистанционной защиты (аналогично

МТЗ) должно быть больше времени срабатывания третьей ступени дистанцион-

ной защиты предыдущей линии:

ttt

Б,III

З,С

А,III

З,С

+≥ , (4.17)

где

А,III

З,С

t ― время срабатывания третьей ступени дистанционной защиты

(рис. 4.6) подстанции А,

Б,III

З,С

t ― время срабатывания третьей ступени дистанци-

онной защиты подстанции Б;

t ― ступень селективности, обычно

t = 0,5 с.

Чувствительность третьей ступени дистанционной защиты проверяется для

основной зоны действия по выражению

5,1

III

З,С

III

ОТС

≥≥ (4.18)

и для резервной зоны:

25,1

III

З,С

III

ОТС

≥≥ или 25,1

III

З,С

III

ОТС

≥≥ . (4.19)

4.7 Особенности работы дистанционной защиты

Мертвая зона дистанционной защиты

При КЗ близких к защите (рис. 4.7) напряжение на шинах очень мало и при-

нимается равным нулю. Электромагнитные, индукционные и полупроводниковые

(с магнитоэлектрическим исполнительным органом) реле сопротивления в этом

случае не срабатывают из-за того, что результирующий момент от напряжения

меньше противодействующего момента

пружины.

Рисунок 4.7. Участок сети с близким к защите КЗ

Такое обстоятельство для защиты называется «мертвой зоной». Применяют

два способа для устранения мертвой зоны:

― вводится дополнительная обмотка напряжения, к которой подключается

резонансный контур, называемый контуром «памяти». К этому контуру подво-

дится

ВХ

пропорциональное U

РАБ

;

― дополнительный контур «памяти» питается от токовых цепей с током

В микропроцессорных защитах мертвая зона устраняется программно.

Качания и асинхронный режим работы.

При качаниях и асинхронном

режиме сопротивление, подводимое

к реле, изменяется по величине и по

фазе. Возможный годограф движе-

ния входного сопротивления при

асинхронном ходе возбужденного

генератора показан на рис. 4.8, ок-

ружность 1 [12]. Это входное сопро-

тивление периодически попадает в

область (заштрихованную характе-

ристику, рис. 4.2) срабатывания за-

щиты. Причем время, в течение ко-

торого сопротивление попадает в

зону срабатывания защиты при ка-

чаниях, достаточно, чтобы успели

отработать I и II ступени защиты и

отключился выключатель. Дуга 2 (рис. 4.8) соответствует траектории сопротивле-

ния при глубоких синхронных качаниях в электроэнергетической системе. Воз-

можны также ложные срабатывания

защит при наложении качания на КЗ.

Рисунок 4.8. Траектории сопротивле-

ний на зажимах генераторов

Для исключения неправильного срабатывания дистанционной защиты при ка-

чаниях и асинхронном режиме, в случае нарушения устойчивости параллельной

работы генераторов, предусматривается специальная блокировка при качаниях.

Применяют два способа:

― производится пуск защиты на время, достаточное для срабатывания ее

ступеней при КЗ в защищаемой зоне, в случае даже кратковременного появления

аварийной составляющей (например

, токи и напряжения обратной, нулевой по-

следовательностей);

― производится пуск защиты на срабатывание, если приращение сопротив-

ления имеет большое значение, которое при КЗ во много раз превышает прира-

щение сопротивления при качаниях.

Нарушение цепей напряжения защиты

Дистанционные защиты могут неправильно срабатывать при перегорании

предохранителей (срабатывании автоматических выключателей) в цепях транс

форматора напряжения, поэтому предусматривается специальная блокировка при

исчезновении питания. Блокировки имеют разные принципы работы:

― дистанционные защиты дополняются пусковыми токовыми органами мак-

симального действия (могут использоваться токи обратной и нулевой последова-

тельностей), которые запрещают срабатывать при отсутствии аварийного тока;

― сравниваются напряжение нулевой последовательности (рис. 4.9) полу-

ченного из «звезды» вторичной

обмотки трансформатора напряжения и напряже-

ние нулевой последовательности в «разомкнутом треугольнике» [1].

Рисунок 4.9. Блокировка при исчезновении сигнала в цепях напряжения:

а)устройство блокировки дистанционной защиты при исчезновении на-

пряжения в цепях трансформатора напряжения; б) векторная диаграмма

Обмотки w1 и w3 трансформатора TL1 – первичные, подключаемые через

добавочные резисторы к трансформатору напряжения. Обмотка w2 является ком-

пенсационной. Измерительное реле подключается через выпрямительный мост ко

вторичной обмотке. Сопротивления находятся

в соотношении R

= 2 R

поэтому в симметричном режиме токи равны 2|I

|= |I

|. В нормальном ре-

жиме работы I

AΛ

= ― I

, поэтому в обмотке w3 напряжение отсутствует. При по-

явлении в сети напряжения нулевой последовательности в трансформаторе оно

вычитается компенсационной обмоткой w2.

В случае исчезновения напряжения в одной или в двух фазах защиты возни-

кает напряжение нулевой последовательности, изменяются величина и фаза тока в

обмотке трансформатора TL1, которая включена в нулевой провод. В обмотке w3

появляется напряжение, реле KV1 срабатывает и блокирует дистанционную за-

щиту.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия дистанционной защиты ЛЭП.

2. Структурная схема реле сопротивления. Какие характеристики срабатыва-

ния используются в дистанционной защиты?

3. Первая ступень дистанционной защиты ЛЭП. Расчет тока и времени сраба-

тывания, проверка чувствительности.

4. Вторая ступень дистанционной защиты ЛЭП. Расчет

тока и времени сраба-

тывания, проверка чувствительности.

5. Третья ступень дистанционной защиты ЛЭП. Расчет тока и времени сраба-

тывания, проверка чувствительности.

6. Что такое мертвая зона дистанционной защиты?

7. Каковы особенности работы дистанционной защиты при качаниях и асин-

хронном режиме системы?

8. Каковы особенности работы дистанционной защиты при нарушении цепей

напряжения дистанционной защиты

ЛЕКЦИЯ 5

5.1 Поперечная дифференциальная защита ЛЭП

Принцип действия [15] защиты основан на вычитании токов, протекаемых

через трансформаторы тока одноименных фаз TA1 и TA2 при КЗ на линиях W1

или W2 (рис. 5.1).

Защита включается на разность одноименных фаз ЛЭП, подключенных через

разные выключатели ― Q1 и Q2. В нормальном режиме, при питании нагрузки

, токи через трансформаторы тока TA1 и TA2 протекают одинаковые, и ток в

реле равен определяется следующим образом:

0IIII

НБРАБ,2TAРАБ,1TAР

≈

−

= . (5.1)

Рисунок 5.1. Поперечная дифференциальная защита двухцепной ЛЭП

При КЗ в точке К1 в реле протекает ток:

Р,C1K1K,2TA1К,1TAKAW

IIIII >

−

. (5.2)

Но при КЗ в конце одной из линий W1 или W2 защита может не сработать:

Р,C2K2K,2TA2К,1TAKAW

IIIII

−

, (5.3)

так как токи

TA1,K2

и I

TA2,K2

отличаются друг от друга на очень малую величи-

ну, соизмеримую с током небаланса. Этого тока недостаточно для срабатывания

реле KAW1. Таким образом, защита имеет мертвую зону, находящуюся в конце

ЛЭП.

Ток срабатывания защиты выбирается наибольший из двух условий:

― несрабатывания при наибольшем небалансе, протекающем по реле при

максимальном внешнем КЗ:

РАСЧ,МАХ,НБОТСЗ,С

IkI

⋅

≥

, (5.4)

― несрабатывания защиты при отключении одного из выключателей проти-

воположного конца ЛЭП:

МАХ,РАБ

ОТС

З,С

I ⋅≥ . (5.5)

Время срабатывания защиты – специальная задержка на срабатывание не

устанавливается.

Чувствительность защиты оценивается по формуле

З,C

MIN,2К

≥= . (5.6)

Необходимо отметить, что

определяется для двух режимов: при включен-

ных выключателях Q1 – Q4 (рис.5.1) и в режиме, когда выключатель с противопо-

ложной стороны поврежденной цепи уже отключен (режим каскадного отключе-

ния).

Область применения. Дифференциальная защита применяется для двух па-

раллельных линий с одинаковыми параметрами и одним выключателем. Часто в

таком виде она используется для защиты

двух параллельных кабельных линий.

Защита применяется от многофазных КЗ и однофазных коротких замыканий в се-

ти с заземленной нейтралью.

5.2 Особенности работы поперечной дифференциальной защиты ЛЭП

Поперечная дифференциальная защита при определенных режимах имеет

особенности работы:

― первая особенность – мертвая зона, которая возникает при КЗ в конце од-

ной из ЛЭП.

Это устраняется включением аналогичной защиты на противопо-

ложном конце ЛЭП;

― вторая заключается в том, что при отключении одной из ЛЭП защита мо-

жет ложно сработать и отключить вторую ЛЭП. Поэтому защита предварительно

должна быть выведена из работы или автоматически блокироваться и дополнять-

ся другими защитами;

― третья особенность состоит в

том, что ― такая защита не может опреде-

лить поврежденную ЛЭП и отключает обе линии. Это устраняется использовани-

ем органа направления мощности, которое будет рассмотрено в следующем пара-

графе.

Кроме перечисленных особенностей, имеется возможный случай неправиль-

ной работы поперечной дифференциальной защиты (рис. 5.2), когда на линии, на-

пример W1, происходит КЗ с

одновременным обрывом провода ЛЭП. Причем КЗ

находится за местом обрыва проводника и по W1 ток не протекает, следовательно

в ТА1 тока нет.

Рисунок 5.2. Возможный случай неправильной

работы поперечной дифференциальной защиты