3.2. Токовая направленная защита

На линиях с двухсторонним питанием ток к точке КЗ течет с обеих сторон. То же самое происходит в любом замкнутом кольце линий даже при одном источнике питания. Как известно, в таких случаях линия должна отключаться с обеих сторон устройствами релейной защиты. Для обеспечения селективности приходится применять направленную защиту.

В соответствии с требованиями ПУЭ на одиночных воздушных линиях напряжением 110-500 кВ, имеющих питание с двух или более сторон, а также на линиях, входящих в кольцевую сеть с одной точкой питания, от многофазных замыканий должна быть применена дистанционная защита (преимущественно трехступенчатая, используемая в качестве резервной или основной (последнее – только на линиях 110-220 кВ)).

В качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать токовую отсечку без выдержки времени.

От замыканий на землю должна быть предусмотрена, как правило, ступенчатая токовая направленная или ненаправленная защита нулевой последовательности.

Раздел 4. Дистанционные и дифференциальные защиты

В разделе рассматриваются две темы:

- дистанционные защиты;

- дифференциальные защиты.

Лабораторные работы и практические занятия в данном разделе не предусмотрены.

После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста № 4. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 217. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя.

При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 5 баллов из 100 возможных.

4.1. Дистанционные защиты

Дистанционная защита (ДЗ) основана на дистанционном принципе, суть которого состоит в том, что измеряется сопротивление до точки КЗ. В качестве измерителя используется дистанционный орган – реле минимального сопротивления. Измеряется напряжение петли КЗ, делится на ток в этой петле. Полученное значение сопротивления сравнивается с сопротивлением срабатывания и если оно оказывается меньше сопротивления срабатывания – реле срабатывает.

В предыдущем параграфе изложены требования ПУЭ в части применения дистанционных защит и там же указано, что в большинстве случаев дистанционная защита выполняется трехступенчатой. Ступени реализуются дистанционными органами, имеющими области срабатывания в комплексной плоскости сопротивлений с уставками Z_I, Z_II, Z_III, при определенных углах φ и элементами выдержки времени I, II, III ступеней.

Полное сопротивление Z, на которые реагирует ДЗ, является функцией многих факторов, но в основном зависит от расстояния между местом установки ДЗ и местом КЗ.

На рис. 4.1,а показана упрощенная структурная схема трехступенчатой ДЗ. На рис. 4.1,б приведены характеристики выдержек времени и сопротивлений срабатывания трех ступеней.

На структурной схеме пунктиром обведены: 1 – дистанционные органы, 2 – логическая часть, 3 – исполнительный орган (ИО), 4 – блокирующие устройства.

а) б)

Рис. 4.1. Структурная схема трехступенчатой ДЗ (а) и характеристики выдержек времени и сопротивлений срабатывания трех ступеней (б)

Подробно показаны дистанционные органы (ДО) фаз ВС трех ступеней: I – ДО ВС, II – ДО ВС, III – ДО ВС. ДО фаз AB, CA показаны стрелками на входах дизъюнкторов (схем ИЛИ1, ИЛИ2, ИЛИ3) логической части и обозначены KZIAB, KZICA, KZIIAB, KZIICA, KZIIIAB, KZIIICA. Конъюнкторы (схемы И) И1, И2, И3 формируют сигналы на выходах при наличии входных сигналов от ДО и выходных сигналов блокирующих устройств.

Первая ступень мгновенного действия, вторая ступень имеет выдержку времени t₂ (задержка КТ2), третья ступень – выдержку времени t₃ (задержка КТ3). Исполнительный орган ИО выдает команду отключения на выключатель.

На рис. 4.1,б показаны выдержки времени трех ступеней t₁, t₂, t₃. Ниже показана схема участка сети, сопротивления до точек КЗ Z_K1, Z_K2, Z_K3 и уставки ДО трех ступеней Z_I, Z_II, Z_III.

Блокирующие устройства содержат блоки УБК и УБН. УБК – это устройство блокировки при качаниях. При любом виде междуфазного КЗ, даже при симметричном трехфазном КЗ в первый момент возникает несимметрия и УБК выдает сигнал на выход, позволяя защите срабатывать. Второй блок УБН – это устройство блокировки при потере напряжения. В случае исчезновения напряжения на выходе УБН появляется сигнал условно равный логической единице (1), при этом на выходе инвертора «НЕ» будет сигнал ноль (0), который блокирует защиту, не позволяя ей срабатывать ложно.

Рассмотрим расчет уставок трехступенчатой ДЗА линии W1 (рис. 4.2). Сопротивление срабатывания первой ступени Z_IA выбирается из условия, чтобы ДО первой зоны не могли сработать за пределами защищаемой линии.

Рис. 4.2. К расчету уставок трехступенчатой ДЗА линии W1

где Z_1W1 – первичное сопротивление прямой последовательности защищаемой линии W1;

K₁ = 0,850,9 – коэффициент, учитывающий погрешности трансформаторов тока и напряжения и дистанционного органа в сторону увеличения Z₁;

Z_1уд – удельное сопротивление линии;

l_W1 – длина линии W1.

Таким образом, длина 1-й зоны ДЗА составляет величину l_3IA= (0,850,9)l_W1.

Вторая ступень ДЗА охватывает участок (вторая зона) своей линии W1, не вошедшей в состав первой зоны и часть следующей линии W2. Сопротивление срабатывания второй ступени и соответственно второй зоны Z_IIA и выдержку времени t₂ отстраивают от времени действия защит отходящих от шин противоположной подстанции линий или трансформаторов.

Выдержка времени второй ступени

где t_{сз max} – наибольшая выдержка времени защит линий или трансформаторов следующего участка;

Δt – ступень селективности.

Длина 2-й зоны ДЗА должна быть отстроена от конца 1-й зоны ДЗВ следующей линии W2. Сопротивление срабатывания 2-й зоны защиты A

где K₂ = 0,850,9 – коэффициент аналогичный K₁, но для следующей линии, на которой установлена дистанционная защита B;

Z_IB – сопротивление срабатывания первой зоны ДЗВ;

l_3IB – длина первой зоны ДЗB.

Следует обратить внимание на то, что длина первой зоны ДЗA определяется путем умножения сопротивления линии W1 Z_IW1 на коэффициент K₁. При этом Z_IW1 считается постоянной величиной, а длина второй зоны ДЗA рассчитывается с учетом того, что отстройку сопротивления приходится делать от сопротивления срабатывания Z_IB, величина которого не является постоянной, а имеет свою погрешность (на рис. 4.2 отклонения от Z_IA и Z_IB заштрихованы). Поэтому следует брать произведение K₂Z_IB.

Третья ступень служит для резервирования присоединений (линий и трансформаторов), отходящих от шин противоположной подстанции. ДО третьей ступени должна действовать при КЗ в конце наиболее длинной линии и за подключенными к ней трансформаторами. В большинстве случаев определяющим условием выбора Z_III является его отстройка от Z_{раб min}.

Выдержка времени третьей ступени ДЗА выбирается по условию селективности с третьей ступенью резервируемой ДЗB (рис. 4.2)

Современные цифровые ДЗ могут иметь различные характеристики дистанционных органов (ДО). Областью срабатывания ДО называется область в плоскости одного из входных сопротивлений Z, соответствующая срабатыванию ДО при нахождении в ней контролируемого параметра , а характеристика срабатывания – это граничная линия в плоскостиZ, отделяющая область срабатывания от области несрабатывания.

На рис. 4.3 в качестве примера приведены характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ воздушных линий напряжением 6-35 кВ фирмы «Механотроника». Схема подключения этой защиты показана на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Характеристики срабатывания дистанционной защиты БМР3-ДЗ

Рис. 4.4. Схема подключения дистанционной защиты БМР3-ДЗ