9. Дистанционные защиты

В сетях сложной конфигурации с большим числом источников питания обеспечить се­лективное отключение повреждений с помощью простых направленных защит не удается. Дифференциальные защиты на ЛЭП также имеют ограниченное применение, что связано с их особенностями. Один из способов защиты сложных систем - использование дистанцион­ных защит (ДЗ). Дистанционной называется защита, время действия которой зависит от рас­стояния (дистанции) между местом установки защиты и точкой к.з. Выдержка времени на­растает в зависимости от увеличения расстояния до точки к.з.

При таком принципе ближайшая к месту к.з. защита всегда будет иметь меньшую вы­держку времени. ДЗ всегда выполняются направленными.

На рисунке 60 представлена условная схема замещения линии электропередачи. Слева изображен источник питания, представляемый ЭДС системы E_с и эквивалентным сопро­тивлением энергосистемы Z_c. Справа от ЛЭП изображено сопротивление Z_нaгp, выпол­няющее роль потребителя мощности. В нормальном режиме в месте установки реле сопро­тивления протекает ток Iн.р , a TV измеряет напряжение U_н.р „ на шинах. Отношение напря­жения к току характеризует общее (эквивалентное) сопротивление всего участка изображен­ной сети в нормальном режиме

По величине >>Z_c + Z_ЛЭП , и общее комплексное сопротивление имеет актив­но-индуктивный характер, причем активная составляющая сопротивления больше, чем реак­тивная. Это связано с тем, что обычно Р_нагр > Q_нагр. При возникновении к.з. сопротивле­ние Z_нaгp шунтируется, происходит снижение напряжения U_кз и резкое увеличение тока I_кз. Эквивалентное сопротивление участка значительно снижается за счет отсекания Z_нaгp и части Z_лэп, при этом

Рис. 60. Условная схема замещения ЛЭП

таким образом, значительно уменьшается по модулю в сравнении с, и так как для элементов энергосистемы обычно выполняется условиеR < X, то Z_K3 поворачивается отно­сительно Z_н.р, как это изображено на рис. 61.

Рис. 61. Соотношение Z_нр и Z_K3

Если к.з. является трехфазным и металлическим, то остаточное напряжение на шинах подстанции U_кз будет зависеть от расстояния до точки к.з. в соответствии с графиком, приведенным на рис. 62, так как на каждом ки­лометре ЛЭП происходит падение напряжения на величину , гдеZ₀ - удельное сопротивление ЛЭП, Ом/1 км.

Рис. 62. Напряжение вдоль ЛЭП при к.з.

Таким образом, принцип действия ДЗ основан на резком сни­жении сопротивления при к.з. В связи с тем, что при к.з. напряжение снижается, а ток увеличи­вается, ДЗ получаются более чувствительными, чем токовые, т.к. реагируют на изменение сра­зу двух параметров - тока и напряжения. Причем сопротивление при к.з. уменьшается в не­сколько раз больше по сравнению с уменьшением напряжения или увеличением тока.

Основной элемент ДЗ - дистанционный орган, определяющий удаленность к.з. от места установки защиты. В качестве его используют реле сопротивления, реагирующее чаще всего на полное сопротивление . Выполнение реле активного или реактивного со­противления сложнее и не имеет особых достоинств при применении в ДЗ.

Для обеспечения селективности:

- ДЗ выполняются направленными, для этого применяется реле направления мощности или направленное реле сопротивления:

- выдержки времени у защит, работающих при одном направлении мощности, согласуются между собой. Выдержка времени защиты при к.з. за пределами защищаемой линии на Δt больше, чем на соседней.

Для реле сопротивления, используемого в дистанционных защитах, наиболее наглядно изо­бражает на плоскости рабочую и нерабочую зоны характеристика срабатывания.

Рис 63. Характеристика срабатывания реле сопротивления.

Характеристикой срабатывания реле сопротивления называется зависимостьРеле сопротивления подключено к трансформаторам тока и н

Рис. 64. Характеристики для направленных реле сопротивления

апряжения. Если измеряемое сопротивлениепопадает внутрь характеристики срабатывания реле, изображаемой в координатах (R, jX) - рис. 63, то оно замыкает свои контакты, если не попада­ет, то контакты реле остаются разомкнутыми. Если место уста­новки защиты совместить с началом координат, то для ненаправленного реле полного сопротивления будет иметь вид окружности (рис. 63), радиус которойZ = Z_Cp выставлен на реле сопротивления. Таким образом, характеристика представляет собой гео­метрическое место точек, удовлетворяющих условию. Приреле работа­ет, при- не работает. Следовательно, реле сопротивления является реле мини­мального действия, которое срабатывает при уменьшении воздействующей величины. Ха­рактеристики срабатывания направленного реле имеют вид, показанный на рис. 64.

Для всех реле сопротивления необходимо выполнение следующих требований:

1. Быстродействие, чтобы мгновенная ступень отключала к.з. как можно быстрее.

2. Точность работы реле не должно отличаться отболее, чем на 10%. Это

требование обеспечивает стабильность зон ДЗ.

3. Высокое значение

Зависимость выдержки времени защиты t=f() может возрастать плавно или ступенчато (рис. 65).

Технически наиболее просто выполнена ступенчатая зависимость. Дистанционные за­шиты, используемые в энергосистемах, имеют 3 или 4 ступени.

Р

Рис. 65. Зависимость t=f()

еле сопротивления, основной элемент ДЗ, выполняются электромеханическими, стати­ческими или на интегральных микросхемах. Принцип действия всех разновидностей реле ос­нован на сравнении нескольких напряжений, которые являются функциями напряжения и тока.

Так, например, можно сравнить по величине, по модулю или сдвигу фаз два напряжения:

;.

Изменение коэффициентов k позволя­ет получать различные характеристики срабатывания реле (круговые, эллиптиче­ские и т.п.).

Рассмотрим подробнее некоторые из способов выполнения реле сопротивления.

Например, реле сопротивления с направленной характеристикой, сделанное на балансе на­пряжений (рис. 66). На данном принципе основаны реле КРС-1, КРС-2, используемые в па­нели защиты линий серии ЭПЗ.

Напряжения U_I и U_II для рассматриваемого реле имеют вид

;

,

причем k₁ - коэффициент трансформации автотрансформатора TV1; k₂=k₃=k - коэффици­енты трансформации TAV1, TAV2.

А

Рис. 66. Направленное реле сопротивления со схемой сравнения на балансе напряжений

втотрансформаторTV1 подключается к вторичным обмоткам трансформатора напря­жения TV. Напряжение k₁U_p подается на вход выпрямительного моста VS1.

TAV1, TAV2- трансреакторы, на первичные обмотки которых подается ток I_р. Величина Е = -jkI_p снимается со вторичной обмотки трансреактора и подается на схему сравнения.

Вторичные обмотки TV1 и TAV1 включены встречно и . НапряженияU_I и U_II подаются на выпрямительные мосты VS1 и VS2 соответственно. Далее выпрямлен­ные напряжения исравниваются на исполнительном органе реле (ИО). В качестве ИО может быть использовано поляризованное реле или высокочувствительное магнитоэлек­трическое реле. Условие срабатывания ИО, что соответствует изменению тока и напряжения при к.з. Начало действия реле соответствует условию

или .

Разделив обе части последнего равенства на k₁I_p, получим .

Если учесть, что , то получими обозначим радиус. Тогда векторk/k₁ определяет положение центра окружности относительно начала координат с за­данной величиной Z_yст. Следовательно, данное реле - направленное реле сопротивления. Уставка срабатывания регулируется изменением коэффициентов k и k₁. Максимальное зна­чение Z_cp.max получается при значении угла .

При трехфазных и двухфазных к.з. в месте установки защиты U_p = 0 и реле сопротив­ления может не сработать. Сопротивление Z_K3 попадает в данном случае на пограничную кривую . Для того чтобы реле сопротивления работало при данных к.з., в реле введен контур подпитки - трансформаторTV2. Он имеет одну первичную обмотку и две вто­ричных (рис. 66), с которых ЭДС подпитки Е_п подается на оба выпрямительных моста VS1 и VS2. Отсюда

;

В случае двухфазного к.з. АВ в месте установки защиты U_p = 0. Если включить Е_п на U_C, то в реле подается Е_п ≠ 0, и реле сработает.

При трехфазных к.з. все напряжения равны нулю и Е_п существует за счет разрядного тока конденсатора С, что также позволяет реле сопротивления сработать.

Условие работы реле сопротивления можно записать следующим образом:

.

Р

Рис. 67. Зависимость .

еле сопротивления работают с погрешностью, т.е.- действительное значениеZ_cp отличается от установленного Z_yст. Основными причинами этого являются

механические моменты реле ИО и другие факторы, ограничивающие чувствительность кон­струкций реле, а также нелинейность магнитопроводов и выпрямителей реле. Характер зави­симости приведен на рис. 67.

Отличие Z_cp от _Zyст особенно значительно при малых и больших значениях I_р. Если U_p = 0, то реле сработает только в случае . При увеличенииI_р величина ΔZ уменьшается. При больших значениях I_р величина ΔZ снова возрастает. Из графика видно, что существует область токов I_р, при которых отличие Z_cp от Z_yст практически отсутству­ет, т.е. работает с минимальной погрешностью .

Принято, что в эксплуатации отличие Z_yст от Z_cp не должно превышать 10%.

Токи, при которых величина , называются токами точной работы. На графике (см. рис. 67) указаны токии. Если, то реле замеряет сопро­тивление с погрешностью меньше 10%. Желательно, чтобы диапазон изменения токов при к.з. в сети соответствовал зоне.

Рассмотрим в качестве примера расчет уставок трехступенчатой дистанционной защи­ты. График согласования защит приведен на рис. 68.

Рис. 68. График согласования по времени ступеней дистанционной защиты

I зона ДЗ1 охватывает часть Л1. Уставка по сопротивлению I зоны рассчитывается с учетом погрешностей в работе реле сопротивления (ΔZ) и . Для того чтобыI зона не выходила за пределы Л1 - Z_C3 < Z_ЛЭП .

I ступень ДЗ - мгновенная, и зависит от времени замыкания контактов реле сопро­тивления и промежуточных реле:.

II зона Д31 охватывает всю Л1 и часть линии подстанции А. II зона Д31 захватывает также часть Л1 и является для нее резервной. По сопротивлению и по времени II зона ДЗ 1 согласуется с I зоной Д32:

,

где k_н =0,85, k_тр - коэффициент токораспредсления, который учитывает различие тока, протекающего по реле защиты и тока в месте к.з. при сложной конфигурации сети; , где I_кз - суммарный ток к.з. при к.з. в точке К1, I_р - ток, протекающий по реле защиты 1 при расчетном к.з. в точке К1.

Для надежного действия реле сопротивление II зоны должно быть на 35-40% больше, чем Z_Л1. Условием обеспечивается селективное отключение повреждений в начале Л2.

III зона. Протяженность III зоны зависит от чувствительности реле сопротивления, на которых установка выбирается по условию отстройки от нагрузочных режимов:

, где k_н=1,2; k_в=1,15;

Рис. 69. Упрощенная схема трехступенчатой дистанционной защиты

Время действия .

III зона должна по возможности охватывать линии Л1 и Л2.

Схема трехступенчатой дистанционной защиты приведена на рис. 69.

Обозначения, принятые на схеме: БН - блокировка от нарушения цепей напряжения; ПО - пусковой орган; ОМ - орган направления мощности; ДО1, ДОИ - дистанционные органы I и II ступеней (зон); БК - блокировка от качаний; КТН, КТШ - орган выдержки времени II и III зон; KL - выходное реле защиты; KHI, KHII, КНШ - сигнальные реле I, II и Ш зон.

Найденные Z_сз устанавливаются следующим образом:

ДОI; ДОII;  ПО.

При к.з. в I зоне работают ПО, ДOI и ДОII, т.к. , сигнал на от­ключение подается через БК без выдержки времени.

При к.з. во II зоне и ДОI не работает, отключение происходит со временем действия II зоны.

При к.з. в III зоне и, поэтому работает только ПО и отключение линии происходит со временем(как и у МТЗ).

Наличие БН необходимо, т.к. при обрыве цепей напряжения U_p = 0, и это может быть воспринято защитой как трехфазное или двухфазное к.з. в месте установки защиты, поэтому устройство БН выводит защиту из действия при обрыве цепей напряжения. При снижении и„ в результате к.з. БН не должно препятствовать работе защиты. Это достигается специ­альной схемой подключения БН к трансформаторам напряжения.

БК выводит I зону защиты из действия при возникновении качаний. Подробно данный вопрос будет рассмотрен ниже.

Большое значение для правильной работы защиты имеет точная и правильная работа дистанционных органов защиты. Их назначение - измерять расстояние от места установки защиты до точки к.з. Как правило, на дистанционных органах выставляется уставка по со­противлению I и II зон.

При выборе схемы включения дистанционных органов необходимо:

- чтобы Z_p на зажимах реле было пропорционально расстоянию _кз до места к.з.;

- Z_p не зависел от вида к.з. и режима работы сети, что обеспечивает стабильность зон при различных видах к.з.

Для выполнения этих требований включение реле выполняется на ток и напряжение петли к.з., а именно дистанционный орган включается на линейное напряжение (U_AB) и разность соответствующих фазных токов (I_A - I_B).

При трехфазном к.з. все напряжения одинаковы и равны падению напряжения в соот­ветствующих фазах от места установки защиты до точки к.з.:

.

Ток реле , т.к. I_р - разность фазных токов.

Замер .

При двухфазном к.з. (АВ) I_А = -I_B, следовательно, I_р =2I_кз.

Напряжение равно падению напряжения в петле к.з., т.е.

,

отсюда

Следовательно, замер Z_p не зависит от вида к.з. при данной схеме включения.

Уставка III зоны ДЗ по сопротивлению выставляется на пусковых органах. Схема включения пусковых органов может быть такой же, как и дистанционных, а если одной из задач пусковых органов является определение вида к.з., то пусковые органы включают на линейное напряжение и фазный ток, например, U_AB и I_A.

Подобная схема включения используется в схемах, где дистанционный орган переключается на разные токи и на­пряжения в зависимости от вида возникшего к.з. Поскольку выбирается по условию отстройки отZраб.min, то на сильно загруженных линиях эта величина может быть соизме­рима с Z_кз . Для увеличения чувствительности пусковых орга­нов используют направленное реле сопротивления (рис. 70).

При металлических к.з. угол _кз близок к углу _мч (угол максимальной чувствительности - это угол, при котором значение Z_cp достигает максимального значения), а в нагрузочных режимах _нагр < _кз, по­этому, если Z_нагр близок к Z_кз за счет увеличения _кз, Z_кз попадает в зону работы реле.

Следует отметить, что существуют причины, искажающие замеры дистанционных ор­ганов, связанных с влиянием переходного сопротивления дуги, которое определяется по эм­пирической формуле, Ом:

,

где _дуги=м,I_дуги=A

Рис. 70. Характеристика срабатывания направленного репе сопротивления

Дистанционные защиты являются основными защитами ЛЭП 35; 110 кВ. На ЛЭП 220 кВ и 500 кВ они используются как резервные.