10. Реле сопротивления на примере эпз-1636

Область применения ДЗ

ДЗ применяются в тех случаях, когда:

1) токовые защиты, даже с блокировкой по напряжению, не обеспечивают быстрого селективного отключения при междуфазных коротких замыканиях (КЗ) в защищаемой зоне;

2) предельные токи нагрузки некоторых присоединений оказываются сопоставимыми с токами КЗ, что часто встречается на магистральных линиях электропередачи;

3) токи и напряжения на шинах подстанций, удаленных от источника питания, могут существенно различаться в зависимости от режима нагрузки;

4) линии работают по кольцевой схеме, в таком случае токи КЗ могут существенно различаться в зависимости от конфигурации сети.

То есть, ДЗ применяются, когда МТЗ и ТО не могут обеспечить селективность и надежность работы защиты.

Практически неизменным остается значение сопротивления участка линии до места КЗ, которое и используется в ДЗ для определения места повреждения линии. В качестве измерительного органа ДЗ используется реле сопротивления, которое отличает КЗ от нагрузочного режима по значению сопротивления нагрузки.

Общие сведения об ЭПЗ-1636

В настоящее время для защиты линий электропередачи напряжением 110–220 кВ чаще всего используются панели защит типа ЭПЗ–1636 на электромеханической элементной базе.

Предназначены для применения либо в качестве единственной защиты от всех видов коротких замыканий ЛЭП напряжением 110–220 кВ, осуществляющей одновременно и дальнее резервирование, либо в качестве резервной, осуществляющей ближнее и дальнее резервирование.

ЭПЗ-1636 включает в себя:

1) трехступенчатую ДЗ от междуфазных замыканий;

2) ТО и четырехступенчатую направленную МТЗ от замыканий на землю (или токовую направленную защиту нулевой последовательности);

3) устройство блокировки при качаниях, реагирующее на появление напряжения (КРБ–125) либо тока (КРБ–126) обратной последовательности (если есть ток I₂ или напряжение U₂, то это КЗ, иначе это качание);

4) орган блокировки при неисправности цепей напряжения;

5) реле ускорения;

6) токовые реле УРОВ (устройство резервирования отказа выключателей).

В настоящее время используются две основные модификации ЭПЗ-1636, отличающиеся по типу реагирующего органа РС:

1) с магнитоэлектрическими реле (МЭР);

2) с полупроводниковыми нуль-индикаторами (НИ).

Общая теория

R_д’

Реальная характеристика сопротивления короткого замыкания:

Z_к–сопротивление линии от места установки защиты до места КЗ (вектор AB);

R_д–сопротивление дуги в начале линии (вектор AD);

R_д’–сопротивление дуги в конце линии (вектор BC);

Z_p–реальное сопротивление КЗ (вектор AC)

Поскольку

Характеристика дистанционных органов в форме окружности:

Основными параметрами этой характеристики являются сопротивление уставки и угол максимальной чувствительности. Угол 𝜑_мч - это угол между током и напряжением при максимальном значении сопротивления срабатывания.

Максимальное значение сопротивления срабатывания и является сопротивлением уставки.

Дистанционные органы

Рассматриваемые РС основаны на сравнении абсолютных значений или фаз двух или нескольких величин. Эти величины представляют собой синусоидальные напряжения, являющиеся линейной функцией напряжения и тока, подводимых к реле. Сравниваемые напряжения образуются по выражениям (все U и I комплексные):

𝑈1=𝑘𝑈1∙ 𝑈р+ 𝑘𝐼1∙ 𝐼р

𝑈2=𝑘𝑈2∙ 𝑈р+ 𝑘𝐼2∙ 𝐼р

…

𝑈𝑛=𝑘𝑈𝑛∙ 𝑈р+ 𝑘𝐼𝑛∙ 𝐼р

𝑘_𝑈1−𝑘𝑈𝑛–постоянные величины, действительные числа;

𝑘𝐼1− 𝑘𝐼𝑛–комплексные величины, имеющие размерность сопротивлений.

Общая структурная схема ДО

Реле сопротивления, выполняющие функции ДО на сравнении абсолютных значений или фаз двух или нескольких величин, имеют одинаковую структурную схему.

1 - преобразователь напряжения или тока;

2 - устройство формирования сравниваемых величин;

3 - устройство сравнения;

4 - реагирующий орган.

Реализация характеристики в виде окружности или прямой

В ЭПЗ-1636 применяется принцип сравнения двух электрических sin величин по абсолютному значению:

Орган сработает, если:

𝐸₁ > 𝐸₂ и не срабатывает в обратном случае.

𝐸₁ = 𝑘₁ ∙ 𝑈_р + 𝑘₂ ∙ 𝐼_р

𝐸₂ = 𝑘₃ ∙ 𝑈_р + 𝑘₄ ∙𝐼_р (все величины комплексные)

Величины 𝐸₁ и 𝐸₂ представляют собой линейные функции тока и напряжения: 𝑘₁, 𝑘₂, 𝑘₃, 𝑘₄ – постоянные для данной характеристики коэффициенты, в общем случае – комплексные.

Величина представляет собой расстояние любой точки Z до некоторой постоянной точки , а – расстояние той же точки Z до другой постоянной точки . Т.о., характеристика является геометрическим местом точек, отношение расстояний которых до двух заданных точек и постоянно и равно 𝑘.

На рис. показана характеристика в комплексной плоскости Z при применении схемы сравнения по абсолютному значению и 𝑘 ≠ 1, в данном случае 𝑘 > 1. Оси координат не показаны, т.к. взаимное положение точек не зависит от положения осей.

Точка всегда располагается в зоне срабатывания, поскольку неравенство (*) при всегда верно. Точка – всегда в зоне несрабатывания, поскольку неравенство (*) при ложно при любом 𝑘 ≥ 0.

Расстояния точек 𝑎 и 𝑏 от центра окружности 𝑍₀ и радиус окружности 𝑟 связаны определённым условием:

При 𝑘 = 1 уравнение характеристики срабатывания приобретает вид:

В этом случае характеристика – геометрическое место точек Z, равноотстоящих от заданных точек и . Им является перпендикуляр, поставленный к отрезку в середине. Таким образом, характеристика органа в комплексной плоскости Z при 𝑘 = 1 является прямая.

Уравнение срабатывания

Диаметр, проходящий через начало координат, пересекает окружность в точках Z₁ и Z₂. Каждому из отрезков соответствует вектор.

Обозначения: 0̅Z1 – Z̅1 ; 0̅Z2 – Z̅2 ; 0̅0' – 0; 0̅'C – R (радиус окружности); 0̅C – Z̅_cp (величина, соответствующая срабатыванию реле).

Значение Z̅₁ соответствует уставке реле, а угол между вектором Z̅₁ и осью абсцисс R – углу максимальной чувствительности.

𝑅 = (𝑍₁ − 𝑍₂)/2

𝑂 = (𝑍₁ + 𝑍₂)/2

𝑍_ср = 𝑂 + 𝑅

[𝑍_ср − (𝑍₁ + 𝑍₂)/2] = [(𝑍₁ − 𝑍₂)/2] – уравнение окружности, показанной на рисунке.

Частные случаи:

Окружность с центром в начале координат (𝑍₁=𝑍₂):

[𝑍_ср] = [𝑍₁]

Окружность, проходящая через начало координат (𝑍₂=0):

[𝑍_ср−𝑍₁/2] = [𝑍₁/2]

Представив 𝑍₁=𝑘_т/𝑘_н, а 𝑍_ср= 𝑈/𝐼 (U и I комплексные), проведя преобразования, получим:

[𝑈𝑘_н] = [𝐼𝑘_т]

где 𝐼–первичный ток, подведенный к РС;

𝑈–первичное напряжение, подведенное к РС;

𝑘_т–отношение ЭДС на вторичной обмотке трансреактора Тр к его первичному току;

𝑘н–отношение ЭДС на вторичной обмотке трансформатора напряжения ТН к его первичному напряжению.

Реализация характеристики в виде окружности с центром в начале координат:

РС выполняется на основе схемы сравнения на равновесие абсолютных значений напряжений (РО – реагирующий орган).

Напряжение 𝐼𝑘_т вводится в рабочий контур РС и после выпрямления создает в РО ток, действующий на срабатывание (рабочий ток). Напряжение 𝑈𝑘_н вводится в тормозной контур и после выпрямления создает в РО ток, действующий на возврат (тормозной ток).

Характеристика в виде окружности с центром в начале координат используется сравнительно редко и применяется в схемах защит линий 35 кВ и шиносоединительных выключателей (ВШС) 110–220 кВ.

Реализация характеристики в виде окружности, проходящей через начало координат:

[𝑍_ср−𝑍₁/2] = [𝑍₁/2]

Представив 𝑍₁=2𝑘_т/𝑘_н, а 𝑍_ср= 𝑈/𝐼 (U и I комплексные), проведя преобразования, получим:

[𝑈𝑘_н− 𝐼𝑘_т] = [𝐼𝑘_т]

Напряжение 𝐼𝑘_т вводится в рабочий и тормозной (встречно напряжению 𝑈𝑘_н) контуры РС. Напряжение 𝑈𝑘_н вводится в тормозной контур.

Напряжение 𝐼𝑘_т после выпрямления создает в РО ток, действующий на срабатывание. Напряжение 𝑈𝑘_н− 𝐼𝑘_т после выпрямления создает в РО ток, действующий на возврат.

Недостатки реализации реле

Реле сопротивления, выполненные в соответствии с выражением

[𝑈𝑘_н− 𝐼𝑘_т] = [𝐼𝑘_т]

не имеют четкой направленности действия. Из-за неполного равенства токов в рабочем и тормозном контурах при напряжениях, близких к нулю, характеристика или охватывает начало координат (смещена в III квадрант), или имеет «мертвую» зону (смещена в I квадрант). Оба случая недопустимы, так как в первом отсутствует направленность реле сопротивления при К3 за спиной, а во втором возможен отказ защиты при близких К3 в защищаемой зоне.

Для исключения этого явления РС комплекта Д3-2 дополнено подпиткой от цепей напряжения третьей неповрежденной фазы.

Контур подпитки настраивается в резонанс на частоте 50 Гц. Поэтому напряжение подпитки ∆U_п (напряжение на катушке U_L) повернуто на 90° относительно своего фазного напряжения (U_С0), и вектор его параллелен вектору напряжения основных фаз (U_AB), подведенных к реле. При этом напряжение на конденсаторе U_C отстает от тока I_C0 в контуре подпитки.

На следующей странице показана схема с контуром подпитки, реализующая круговую характеристику, проходящую через начало координат:

Характеристика, проходящая через начало координат:

[𝑈𝑘_н− 𝐼𝑘_т] = [𝐼𝑘_т]

Уравнение РС с контуром подпитки принимает вид:

𝐼_р = 𝑘 {[𝐼𝑘_т + Δ𝑈_П] − [𝑈𝑘_н − 𝐼𝑘_т + Δ𝑈_П]},

U_C0

U_L

где ∆𝑈_П – напряжение подпитки (∆𝑈_П, U, I комплексные).

U_C

При достаточно больших значениях напряжения на основных фазах характеристика практически не отличается от окружности, так как напряжение подпитки добавляется в оба контура РС и совпадает по направлению с напряжением . При близких КЗ, когда ∆𝑈_П существенно превышает основное напряжение, выражение принимает вид: [𝐼𝑘_т + Δ𝑈_П] = [Δ𝑈_П − 𝐼𝑘_т].

Для гарантированной направленности защиты в различных режимах повреждения линии может быть применено РНМ, угол max чувствительности ( ) которого совпадает с рассматриваемого РС.

При близких трехфазных КЗ происходит глубокое снижение входного напряжения U_С0, но РС работает «по памяти» за счет сохранившихся колебаний из-за резонанса в контуре подпитки.

Комплект защиты ДЗ-2. Принцип работы

Рабочий контур реле образован одной из вторичных обмоток трансреактора 1ТР, нагруженной резисторами 11R или 12R, регулируемый резистором 13R, выпрямительным мостом 1ВМ и вторичной обмоткой трансформатора подпитки 2ТР. Нагрузкой контура является резистор 14R.

Тормозной контур образован второй вторичной обмоткой 1ТР, которая нагружена на резисторы 9R или 10R, вторичной обмоткой трансформатора напряжения 1ТН, вторичной обмоткой трансформатора 2ТP и выпрямительным мостом 2ВМ. Нагрузка контура – резистор 15R.

РС используется для двух зон защиты. Это обеспечивается двумя наборами отпаек вторичной обмотки 1ТH, переключение между которыми выполняется контактами реле 1РП, подключаемыми через контакты разъема 1Ш/2а, 1Ш/За, 1Ш/4а.

К исполнительному органу, которым является МЭР в защитах I поколения или полупроводниковый НИ в защитах II поколения, подводится разность напряжений на резисторах 14R и 15R (балластные сопротивления), которые, в свою очередь, равны:

𝑈_14R = 𝑘 [𝐼𝑘_т]

𝑈_15𝑅 = 𝑘 [𝑈𝑘_н − 𝐼𝑘_т] (U и I комплексные)

Трансреактор 1ТP совместно с резисторами 9R – 12R поворачивает вектор тока на входе защиты для получения необходимого угла max чувствительности. Резисторы с меньшим сопротивлением (9R, 11R) обеспечивают φ_м.ч. = 65°, с большим сопротивлением (10R, 12R) φ_м.ч. = 80°.

Напряжение подпитки от третьей фазы подается через трансформатор 2ТP. Первичная обмотка этого трансформатора совместно с конденсатором 6C образует резонансный контур, выполняющий поворот вектора напряжения на 90° и обеспечивающий работу защиты «по памяти».

Схема реле сопротивления комплекта ДЗ-2 (защита II поколения)

Реле сопротивления комплекта КРС-1

Реле сопротивления комплекта КРС-1 выполнено на этих же принципах, но имеет некоторые отличия. Так как оно не предназначено для работы при близких К3, в его схеме не предусмотрен контур подпитки. Уставка его срабатывания может быть близка к сопротивлению нагрузки, что требует выполнения дополнительных условий, препятствующих ложному срабатыванию в нагрузочном режиме. Эти условия могут быть выполнены применением эллиптической характеристики.

Сопротивление нагрузки Z_н, как правило, имеет преимущественно активный характер, в отличие от сопротивления линии Z_л, которое чаще всего является индуктивным. Если линия сильно нагружена, ее нагрузка может попасть в зону срабатывания реле с круговой характеристикой. Если же характеристику реле выполнить в виде эллипса, нагрузка линии в зону срабатывания защиты не попадает.

Схема реле с эллиптической характеристикой

Реле, позволяющие получить эллиптическую характеристику, отличаются от обычных следующими особенностями:

1) использованием переменной составляющей выпрямленного тока;

2) применением нуль-индикатора с замедлением.

Для получения характеристики в форме эллипса используется цепочка с диодом 8Д, включенная параллельно цепи фильтр – реагирующий орган. Диод открывается от входного сигнала рабочего значения. Это приводит к срезанию уровня положительной полуволны 2-й гармоники и уменьшению рабочего сигнала, что, в свою очередь, обеспечивает сжатие характеристики реле в направлении, перпендикулярном к линии максимальной чувствительности. Изменение соотношений осей эллипса достигается включением последовательно с диодом 8Д резисторов 25R–27R.

Для уменьшения вибрации реагирующего органа параллельно нуль-индикатору включается конденсатор 5С.

Время срабатывания РС с эллиптической характеристикой больше времени срабатывания РС с круговой характеристикой за счет шунтирующей РО цепочки с диодом 8Д.

Устройства блокировки при качаниях

ТП

КРБ-126

КРБ-125

КРБ-126 включает в себя фильтр тока обратной последовательности (ФТОП), в том числе трансформаторы тока 2ТТ и 3ТТ, резисторы 7R-10R, конденсаторы 2С, 3С. На выходе, т.е. в первичную обмотку трансформатора ТП ФТОП выдает ток, пропорциональный только составляющей I₂ в несимметричной системе фазных токов по защищаемой ВЛ.

КРБ-125 включает в себя фильтр напряжения обратной последовательности (ФНОП), состоящий из резисторов 7R-10R, конденсаторов 2С, 3С; понижающий трансформатор фильтра ТП; промежуточный трансформатор тока SS₀; выпрямительные мосты 1ВМ и 2ВМ; фильтр пятой гармоники Др4С (для того, чтобы напряжение 5 гармоники не прикладывалось к обмотке реле 1РН) и поляризованное реле 1РН. На выходе, т.е. в первичную обмотку трансформатора ТП ФНОП выдает напряжение, пропорциональное только составляющей U₂ в несимметричной системе векторов напряжений.