лекции

61

Zс' .з. = котс' .Z1lл

где lл – длина;

Z1 – удельное сопротивление прямой последовательности;

к'отс. – коэффициент отстройки, учитывающий положительную погрешность РС (0,85-0,95), погрешности ТТ и влияние переходных сопротивлений Rn в месте КЗ. Токовые погрешности обычно отрицательны, они уменьшают Iр и увеличивают Zр. Характеристики срабатывания реле стремиться иметь такими, чтобы Rn не приводило к уменьшению Zр.

			Б	В
А	LАБ=LБВ					Г
1	LАБ	2	3	LБВ	5	6
				4
			К1			LВГ
				К3
			К2
t
						t
						tIII
			t			А
		tIIА		tIIБ
	Z'		Z'с.з.Б			Z
	с.з.А
			Z''с.з.Б
		Z''с.з.А
	Рис. 2.6.5. Ступенчатый принцип определения времени
		срабатывания дистанционной защиты

Для охвата первой ступенью всей длины линии lл иногда принимают Zс' .з. =1.1Z1lл ( неселективное действие).

Вторая ступень

Время срабатывания стремятся для всех защит иметь минимальными, обычно одинаковыми, выбирая их на ступень t>t' предыдущих участков и tт защит без выдержки времени трансформаторов подстанции в конце линии.

61

ZсII.з.

62

Вторые ступени выполняются направленными, допускается характеристику = f (ϕр ) смещать в III квадрант для исключения “мертвой” зоны.

Первичные сопротивления срабатывания ZсII.з. определяется по тем же условиям, что и IсII.з. токовых направленных защит: отстройка от начала вто-

рой зоны (конца первой) предыдущих ДЗ ( при выборе одинаковыми их вторых ступеней); отстройка от КЗ за трансформаторами ( автотрансформаторами) подстанции в конце линии ( точка К3), при которых трансформаторы могут отключаться своими защитами с t>tII. При расчетах обычно пренебрегают разницей углов сопротивлений смежных элементов. Тогда;

							I
ZсII.з.А	≤ котсII	Z1lАБ + котсI			(		Zс.з.Б		)min
							кток.Б
										(2.6.2)
						ZТ.min
ZсII.з.А	≤ котсII	котс''
			Z1lАБ	+	(			)max
							кток.Т

где ZсI.з.Б - одно из сопротивлений срабатывания Iст. ДЗ линий, отходящих от

шин подстанции Б (если их несколько);

ZТ.min – минимальное эквивалентное сопротивление трансформаторов в режиме их параллельной работы на подстанции Б с учетом возможности изменения ктр при регулировании РПН;

котсII ≈ котсI , котсI - коэффициент, меньший 1, учитывающий отрицатель-

ную погрешность органа сопротивления защиты Б (часто принимается рав-

ным 0,9);

котс'' - коэффициент обычно равный 1;

кток.Б и кток.Т – коэффициенты токораспределения, учитывающие ( как и при выборе токов срабатывания I''с.з. II ступеней токовых направленных защит) неравенство токов в месте включения защит (линии АБ) и в линиях БВ (кток.Б) или в трансформаторах (кток.Т) при к.з. в расчетных точках (соответственно в конце ZсI.з.Б и К3). кток.Б и кток.Т >1, облегчая согласование или <1, затрудняя его. При отсутствии на подстанции Б нагрузок или дополнительных связей между Б и смежными подстанциями кток.Б=1.

Б

Б

А

L

А

L

Г

Г

LАБ

L

АБ

I

IБГ

БГ

IАБ

В

IАБ

а)

I

БВ

б)

Рис. 2.6.6. Принципиальная схема сети, поясняющая работу дистанционной защиты при КЗ

62

63

При междуфазном КЗ на участке БГ на расстоянии l от шин Б по участкам АБ и ВГ проходят неравные токи IАБ и IБГ . Сопротивление на зажимах реле сопротивления на подстанции А:

Z

=

I АБ Z1lАБ + I БГ Z1l

= Z l

+

I

БГ

Z l = Z l

+

1

Z l

I АБ

I АБ

кток

р.А

1 АБ

1

1

АБ

1

для а) кток <1, для б) кток >1.

Таким образом, сопротивление на зажимах органа участка, смежного с поврежденным, определяется не только местоположением повреждения (lАБ+l), но и коэффициентом токораспределения кток=IАБ/IБГ, характеризует долю тока IБГ поврежденного участка, проходящего по неповрежденному. При практических расчетах пренебрегают сдвигом фаз между указанными токами и считают кток действительным числом. Если кток<1, то Zр.А оказывается больше Z1(lАБ+l), что следует учитывать при выборе ZсII.з. , увеличивая его

и следовательно повышая чувствительность защиты к к.з. в конце участка и на шинах подстанции Б. Неблагоприятные, но необходимые для участка соотношения получаются при кток>1.

Расчетным является выражение дающее меньшее ZсII.з. . При выбранном таким образом ZсII.з. проверяется чувствительность II ступени при металличе-

ском к.з. в конце защищаемого участка, на шинах противоположной подстанции (п/ст. Б). При наличии III резервной ступени считается возможным

иметь кчII = ZсII.з.А ≥1,25 .

Z1lАБ

Третья ступень

Выдержки времени III ступени выбирается по встречно-ступенчатому принципу, и часто бывают значительными, что мало приемлемо в кольцевых сетях с несколькими источниками питания. III ступени с таким образом выбранным временем срабатывания tIII даже будучи направленными не обеспечивают селективность.

Некоторое улучшение селективности III ступени и уменьшение их tIII достигается сокращением их зон, выбором в кольцевых сетях наименьшего ответственного участка, который при КЗ отключается первым.

ZсIII.з. в отличии от ZсI.з. и ZсII.з. обычно выбирается по условиям отсрочки от минимального рабочего сопротивления Zраб.min ( ZсIII.з. <Zраб.min ) при φр= φраб. Однако более тяжелым является возврат органа в исходное состояние после отключения внешнего к.з. Поэтому проверяют условие:

Zс.з. расч		< Zпер.min
или
Z	с.з. расч	≤	Z раб.min
			котскз.z

63

	64
где кз.z >1	- коэффициент, учитывающий понижение переходное сопротив-
ление Zр=Zпер.min по сравнению с Zраб.min за счет самозапуска двигателей по-
требителей,	обуславливающего повышение тока в защищаемой линии и по-

нижение напряжения.

Сопротивление Zв.з.расч. выражается через Zс.з.расч. , определенного по формуле:

Z	с.з. расч	≤	Z раб.min
			котскз.z

Конец Zс.з.расч. с углом φраб. определяет на комплексной плоскости Z расчетную точку характеристики срабатывания III ступени ZсIII.з. = f (ϕр ) . Эта

характеристика должна обеспечивать необходимую чувствительность защиты (кч≥1,5) при металлическом м.ф.к.з. в конце защищаемой зоны участка. При к.з. в конце смежных элементов, когда защита может работать как резервная ( дальнее резервирование) считается желательным иметь кч≥1,25. Для обеспечения требования чувствительности характеристика III ступени требуется иметь отличную от характеристики I и II ступеней. Ограничение чувствительности III ступени при этом определяется режимами с передачей в основном реактивных мощностей, когда φраб. может приближаться к 900, а Zраб=Uраб/Iраб может быть хотя и значительным, но конечным.

Требования к форме характеристики Zс.з. = f (ϕр ) органов сопротивления с двумя входными величинами следующие (рис. 2.6.7):

Г

+ jx

Z лВГ

Z лБВ	В

0,85

ϕ л

+ R

Б

АZ лАБ

2.7.ЗАЩИТЫ С АБСОЛЮТНОЙ СЕЛЕКТИВНОСТЬЮ

Для защиты электрооборудования электроэнергетических систем широко используется дифференциальный принцип (гл.1), на котором осуществляются продольные и поперечные дифференциальные защиты с абсолютной селективностью. Продольные дифференциальные токовые защиты используются в основном для защиты элементов с сосредоточенными параметрами, например, трансформаторов, генераторов, но могут применяться и на линиях малой протяженности. Поперечные дифференциальные защиты выполняются в виде направленных и ненаправленных для защиты многоцепных линий

64

65

электропередачи, а также для защиты от витковых замыканий обмотки статора генератора.

Принцип действия продольной дифференциальной токовой защиты

Продольная дифференциальная токовая защита основана на сравнении токов в начале и конце защищаемого элемента. Для выполнения защиты линии на ее концах устанавливаются измерительные трансформаторы тока с одинаковым коэффициентом трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов тока одноименных фаз и реле соединяются с помощью вспомогательных проводов так, чтобы при коротком замыкании вне защищаемой зоны, ограниченной измерительными трансформаторами, ток в реле отсутствовал, а при повреждении внутри зоны был равен току короткого замыкания.

Применяются две возможные схемы выполнения дифференциальной защиты — с циркулирующими токами и с уравновешенными напряжениями. В нашей стране используются преимущественно защиты, выполненные по схеме с циркулирующими токами (рис. 2.7.1). Схема получается путем параллельного соединения вторичных обмоток трансформаторов тока TAI, ТАII и реле тока КА. При этом ток в реле /р определяется с учетом принятых условных положительных направлений токов I1I и I1II по концам защищаемой линии Л.

С учетом положительных направлений, указанных на рис. 2.7.1, а, ток в реле равен геометрической сумме вторичных токов:

(2.7.1)

При коротком замыкании в защищаемой зоне l, ограниченной трансформаторами тока TAI и ТАII (точка К1) токи I1I и I1II от источников питания направляются в точку повреждения, т. е. имеют положительное направление (рис. 2.7.1, а), вследствие чего токи I2I и I2II в реле в соответствии с выражением (2.7.1) складываются Iр = I2I + I2II = I2k. При одностороннем питании один из токов, например I1II, равен нулю, поэтому вторичный ток I2II отсутствует. При этом ток I2I не может замыкаться через вторичную обмотку трансформатора тока ТАII, так как трансформатор тока работает, в режиме источника тока (сопротивление токовых цепей реле во много раз меньше внутреннего сопротивления трансформатора тока). Весь ток I2I проходит через реле. Таким образом, при коротком замыкании в зоне ток в реле определяется током Iк в точке повреждения. При этом защита срабатывает, если Iр ≥ Iс р.

В нормальном режиме работы, при качаниях, а также при внешних коротких замыканиях (точка К2) первичные токи I1I и I1II равны и сдвинуты по фазе на угол π. Если не считаться с погрешностями трансформаторов тока, то I2I= -I2II (рис. 2.7.1, б), поэтому в соответствии с (2.7.1) ток в реле Iр = 0 и защита не срабатывает. Следовательно, продольная дифференциальная защита действует при повреждении в зоне и не реагирует на внешние короткие замыкания, токи качаний и токи нормальной работы, т. е. она обладает абсолютной селективностью. Эта принципиальная особенность дает возможность выполнить защиту

65

66

без выдержки времени, а при выборе тока срабатывания не учитывать токов качаний и нормального режима. В действительности трансформаторы тока имеют погрешности. Поэтому, несмотря на то, что в указанных режимах первичные токи I1I и I1II равны и сдвинуты по фазе на угол π, вторичные токи I2I и I2II не одинаковы по абсолютному значению и сдвинуты по фазе на угол, отличный от π. В связи с этим в реле появляется ток, называемый током небаланса Iн6. Для исключения неправильной работы дифференциальной защиты ток срабатывания реле должен выбираться с учетом тока небаланса.

Рис. 2.7.1. Распределение токов всхемепродольнойдифференциальной защиты с циркулирующими токами и их векторные диаграммы

Ток небаланса и ток срабатывания дифференциальной защиты с циркулирующими токами

Из схем замещения измерительных трансформаторов тока (рис. 2.7.1) имеем

Поэтому при нормальной работе и внешних коротких замыканий ток в реле дифференциальной защиты

(2.7.2)

66

67

Таким образом, ток небаланса определяется токами намагничивания, которые для любых двух трансформаторов тока неодинаковы вследствие неидентичности их характеристик намагничивания (рис. 2.7.2, а). С увеличением первичного тока разница в токах намагничивания, а следовательно, и ток небаланса возрастают. Для выбора тока срабатывания защиты необходимо знать максимально возможное значение тока небаланса при внешних коротких замыканиях.

Определение тока небаланса расчетным путем представляет значительную трудность. Известны методы расчета максимального расчетного тока небаланса Iнб.рсч max, основанные на предварительном определении токов намагничивания. Значительный ток намагничивания при переходных процессах во вторичных цепях трансформатора тока обусловлен наличием в токе КЗ плохо трансформируемой апериодической составляющей (рис. 2.7.2, б, кривая 1). Она почти полностью замыкается через ветвь намагничивания, увеличивая этим ток намагничивания

Рис. 2.7.2. Характеристики и ток намагничивания трансформаторов тока дифференциальной защиты

и насыщая сердечник трансформатора. Это ухудшает, в свою очередь, трансформацию периодической составляющей тока КЗ, вследствие чего ток намагничивания еще более возрастает. Поэтому наибольшие токи небаланса в схеме дифференциальной защиты появляются в том случае, если повреждение возникает в момент, когда апериодическая составляющая имеет наибольшее значение. Скорость изменения апериодической составляющей зависит от постоянной времени Т1 первичной цепи. С увеличением Т1 продолжительность существования апериодического тока возрастает. Это приводит к росту тока намагничивания. При повреждении в различных точках системы электроснабжения постоянная времени может измениться в широких пределах, в среднем ее можно принять равной Т1 = 0,01...0,1 с.

Наряду с апериодической составляющей на ток намагничивания влияют значение и знак остаточной индукции магнитопровода. При наличии остаточной индукции ток намагничивания в переходных процессах может сильно воз-

67

68

расти при совпадении остаточной индукции по знаку с индукцией, вызванной апериодической составляющей тока КЗ. Остаточная индукция уменьшается во времени очень медленно, поэтому при определении токов небаланса необходимо учитывать остаточную индукцию, которая может возникать в результате работы трубчатых разрядников, отключения короткого замыкания и т.п.

Расчеты, подтвержденные опытными данными, показывают, что при переходных процессах максимальные значения токов намагничивания и небаланса могут приближаться к амплитудным значениям тока КЗ и возникают спустя несколько периодов после начала короткого замыкания (рис. 2.7.2, б, кривая 2). Запаздывание объясняется возникновением переходного процесса в замкнутой вторичной цепи трансформатора тока. Переходный процесс сопровождается появлением свободной апериодической составляющей, которая затухает с постоянной времени Т2 вторичной цепи, превосходящей Т1.

Для предотвращения неправильной работы дифференциальной защиты ток срабатывания реле следует выбирать с учетом тока небаланса переходного процесса по выражению

(2.7.3)

Условие (2.7.3) является общим для дифференциальных защит любого элемента системы электроснабжения, но для защиты трансформаторов, например, ток срабатывания необходимо выбирать и по условию отстройки от броска тока намагничивания. При определении тока небаланса исходят из того, что трансформаторы тока в схеме выбраны так, что полная погрешность не превышает ε = 10% при заданной вторичной нагрузке и предельной кратности тока КЗ . Погрешности двух трансформаторов тока имеют одинаковые знаки (рис. 2.7.2, а), поэтому ток небаланса, равный, согласно (2.7.3), разности токов намагничивания, определяется погрешностью, меньшей каждой из погрешностей в отдельности, что учитывается при расчетах коэффициентом однотипности kодн = 0,5...1,0. Влияние апериодической составляющей тока КЗ на ток небаланса учитывают коэффициентом kап, для момента времени t = 0 принимают kап

= 2.

Поэтому ток

(2.7.4)

При принятых коэффициентах в худшем случае (kодн =1) ток Iнб.рсч max не превышает 20% тока I(3)к.вн. max. По некоторым данным он может быть значительно больше.

Чувствительность дифференциальной зашиты при КЗ в защищаемой зоне оценивают коэффициентом чувствительности kч. В зависимости от защищаемого элемента допускается иметь kч= 1,5...2. При использовании обычных электромагнитных реле тока чувствительность дифференциальной защиты

68

69

обычно оказывается недостаточной. В связи с этим приходится принимать меры по повышению ее чувствительности.

Способы повышения чувствительности дифференциальной защиты

Известно несколько способов повышения чувствительности зашиты. Среди них отстройка от переходных токов небаланса по времени, включение последовательно с цепью тока измерительного реле тока добавочного сопротивления, использование апериодических слагающих в переходном токе небаланса, применение реле с торможением.

Способ отстройки от переходных токов небаланса по времени не может считаться удовлетворительным, так как он не дает возможности в полной мере использовать принципиальное свойство дифференциальной зашиты — ее быстроту действия.

Включение добавочных сопротивлений в цепь тока измерительных реле тока применяется сравнительно редко, например, в дифференциальных защитах генераторов небольшой мощности.

Способ использования апериодической слагающей в переходном токе не-

баланса Этот способ реализован в реле РНТ с насыщающимся трансформатором тока (НТТ). Принцип работы НТТ и устройство реле РНТ рассмотрены в разделе устройства дифференциального реле РНТ-565. Здесь лишь напомним, что чувствительность реле РНТ зависит от формы кривой тока, проходящего в рабочей обмотке. При синусоидальном токе насыщающийся трансформатор не оказывает существенного влияния на работу реле. Если же в токе имеется апериодическая составляющая, то магнитопровод НТТ сильно насыщается, сопротивление намагничивания резко падает, ток намагничивания увеличивается, а вторичный ток уменьшается. Коэффициент трансформации НТТ автоматически увеличивается, и чувствительность зашиты уменьшается. Нормальная работа насыщающегося трансформатора восстанавливается, как только исчезает апериодическая составляющая.

Таким образом, защита загрубляется на время существования переходного тока небаланса. Это дает возможность при определении тока небаланса не учитывать влияния апериодической составляющей, а ток срабатывания реле отстраивать только от установившегося тока небаланса Iнб.рсч, определяемого по выражению (2.7.4) при kап = 1,0...1,3.

Необходимо иметь в виду, что при КЗ в защищаемой зоне ток повреждения в общем случае также будет содержать апериодическую составляющую. Однако это не ведет к отказу защиты, так как после исчезновения апериодической составляющей нормальная работа НТТ восстанавливается и защита срабатывает. При этом она действует с замедлением, не превышающим длительности двух периодов, что не является большим недостатком.

69

70

2.7.1. ПРОДОЛЬНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЛИНИЙ

Особенности продольной дифференциальной защиты линий обусловлены значительным расстоянием между концами защищаемой зоны. При этом между подстанциями А и Б (рис.2.7.1, а) прокладываются вспомогательные провода, необходимые для соединения трансформаторов тока TAI и ТАII, расположенных на концах защищаемой линии. В схему защиты включаются два комплекта реле KAI и КАII по одному на каждом конце линии, необходимые для отключения выключателей с обеих сторон. Выполнение указанных требований усложняет защиту, увеличивая затраты на ее осуществление, и отрицательно влияет на чувствительность и надежность.

Рис. 2.7.3. Продольная дифференциальная защита линий

Особенности защиты, обусловленные вспомогательными проводами. В

схеме защиты с циркулирующими токами по вспомогательным проводам непрерывно проходят вторичные токи измерительных трансформаторов тока. Значения токов и сопротивления Znp соединительных проводов определяют мощность, отдаваемую трансформаторами тока. При номинальном вторичном токе I2ном = 5 А допускаемая нагрузка трансформаторов тока ограничивает сопротивление соединительных проводов Znp≤1...2 Ом, поэтому продольную дифференциальную защиту при допустимом сечении проводов можно использовать на линии длиной лишь в несколько сотен метров.

При больших длинах линий снижение нагрузки на первичные измерительные трансформаторы тока достигается уменьшением тока во вспомогательных проводах вторичными (промежуточными) трансформаторами тока TLAI и TLAII (рис. 2.7.1, б) с коэффициентом трансформации К1 > 1. Указанный способ снижения нагрузки используется в типовых схемах продольных дифференциальных защит лини. Кроме того, в схемы защит включают промежуточные насыщающиеся трансформаторы TLATI и TLATII, обеспечивающие

70