8.3. Токовые направленные защиты нулевой последовательности

В сетях с заземленными нейтралями, расположенными с обеих сторон рассматриваемого участка, селективное действие МТЗ НП можно обеспечить только при наличии органа направления мощности. Направленные МТЗ НП (НТЗ НП) действуют при КЗ на защищаемой ЛЭП и не работают при повреждениях на всех остальных присоединениях, отходящих от данной подстанции. Такое поведение НТЗ НП обеспечивается с помощью РНМ КWO, реагирующего на знак (направление) мощности НП при КЗ. Выдержки времени на защитах НТЗ НП, действующих при одном направлении мощности, должны выбираться по ступенчатому принципу. Структурная схема направленной защиты НП приведена на рис. 8.5,а. По этой схеме выполняются защиты как на электромеханических, так и на полупроводниковых реле. Схема состоит из пускового релеКАО, реагирующего на появление КЗ на землю, реле направления мощностиКWO, определяющего направление мощности при КЗ, и реле времениКТ. Пусковое реле и цепь тока РНМ включаются на 3 I₀ в нулевой провод ТТ, соединенных по схеме полной звезды, а на входные зажимы цепи напряжения РКМ подводится напряжение 3 U₀ от разомкнутого треугольника ТН. При таком включении релеКWOреагирует на мощность НПS₀ = U₀I₀. С учетом угла сдвига между векторамиU₀I₀90º и равенствU_P = 3 U₀, I_P = 3 I₀ используются реле НП, реагирующие на мощность:

S_P =U_PI_P= 9U₀I₀, (8.6)

где– угол сдвига фаз междуU_PиI_PилиU₀ иI₀.

Условия работы РНМ НП можно понять из рассмотрения векторных диаграмм напряжения и тока, питающих реле (U₀ иI₀) при одно- и двухфазных КЗ на землю (рис. 8.6 и 8.7). Для упрощения принято, что поврежденная ЛЭП разомкнута. За исходные при построении всех диаграмм взяты векторы ЭДС эквивалентного генератора энергосистемыE_A,E_B ,E_C, которые можно считать неизменяющимися при КЗ.

Однофазное КЗ, например, на фазеА характеризуется следующими условиями, вытекающими на рис. 8.6,а: I_A=I_K,I_Aотстает отE_Aна 90º; U_AK = 0; U_B = E_B; U_С = E_С .Векторы 3 I₀и 3 U₀ находятся геометрическим сложением векторов фазных токов и напряжений. В месте КЗ ток 3 I_0К= I_A и, следовательно,I_0К= I_A, а вектор 3U_0К=(U_ВК +U_СК). При принятых допущенияхU_ВК +U_СК= - E_A, поэтому

U_0К= −E_A. (8.7)

Из рис.8.6,б следует, что I_0КопережаетU_0Кна 90º.

Векторная диаграмма напряжений и токов в точке Р, удаленной от места однофазного КЗ, отличается от предыдущего случая значениямиU_А иU₀:U_АР = j I_0КX_P-K. Напряжения неповрежденных фаз:U_B = E_B иU_С = E_С (рис. 8.6, в).

Векторы U_0РиI_0Каналогично предыдущему случаю находятся геометрически суммированием фазных напряжений и токов. В соответствии с этимI_0Р = I_A ,U_0Р =(U_АР +U_ВР+U_СР).

При двухфазном КЗ на землю векторная диаграмма токов и напряжений в месте повреждения фаз В иСприведена на рис. 8.7,б. Этот вид повреждения характеризуется в месте КЗ тремя условиями, очевидными из рис. 8.7,а: U_ВК = 0; U_СК = 0; I_A = 0; U_А = E_А . В поврежденных фазах проходят токиI_ВиI_{С ,} каждый из которых состоит из двух составляющих, показанных на рис. 8.7 пунктиром.

Одна составляющая замыкается по контуру поврежденных фаз В и С и обусловливается разностью ЭДСE_В – E_С, а вторая проходит по контуру поврежденная фаза – земля под действиемE_В иE_Ссоответственно. Результирующие токиI_В иI_С, в отличие от токов при двухфазном КЗ без земли, сдвинуты между собой на угол, меньший 180º; (рис. 8.7, б):

U_0К= U_АК, аI_0К=( I_В+ I_С).

Диаграмма для точки Р, находящейся на некотором удалении от места повреждения, представлена на рис. 8.7,в. Очевидно, что токи в точкеР такие же, как и в точкеК. Напряжение неповрежденной фазы также не меняется. Напряжения поврежденных фазU_ВР иU_СР равны падению напряжения от точкиК до точкиР.

Напряжение U_0Р =(U_АР +U_ВР+U_СР).С учетом того, чтоU_АР = E_Анаходим

U_0Р =(E_АР +U_ВР+U_СР).

Отсюда и из векторной диаграммы следует, что U_0Р<. U_0К. ТокI₀, опережаетU_0КиU_0Р на угол. Если не учитывать активного сопротивления, то= 90º.

Векторные диаграммы на рис. 8.6 и 8.7 позволяют сделать выводы:

1) угол сдвига определяющий знак и значение мощностиS_P, на которую реагируют РНМ НП, равен (считаяZ = X), согласно рис. 8.7,б,в, 90º. При учете активного сопротивления сети, составляет 100-120º. Отсюда следует, что для НТЗ НП необходимо применять РНМ, имеющие максимальный момент в диапазоне значений= 90120º. К подобным реле относятся электромеханические реле типа РБМ-177 с = –20º и= -110º и реле на интегральных микросхемах типа РМ 12-11, РМ 12-18 с= – 100º;

2) ток 3 I₀ при однофазном КЗ равенI_К(в режиме одностороннего питания), а при двухфазном КЗ с землей – геометрической сумме токов поврежденных фаз, т. е. току КЗ, проходящему через землю;

3) напряжение 3 U₀ имеет наибольшее значение (равное фазному напряжению) в месте КЗ (точка К). По мере удаления от точки КЗ напряжение 3 U₀ уменьшается. Из рис. 8.3,вследует, что чем дальше от места КЗ находится РНМ, тем хуже условия его работы. При удаленных К3S_P(U_P) может оказаться меньшеS_с.р(U_с.р), в результате чего РНМ, а следовательно, и РЗ не будут работать.

Для расширения зоны действия НТЗ НП необходимы высокочувствительные РНМ. Для исключения отказа РНМ из-за недостаточной чувствительности при удаленных КЗ можно применять схему, показанную на рис. 8.8. В этой схеме реле КWOсрабатывает не при КЗ на защищаемой ЛЭП (как в обычных схемах), а при повреждениях на землю (точкаК2) на ЛЭП и трансформаторах, подключенных к шинам, от которых отходит защищаемая ЛЭП. При этом релеКWOподает сигнал, блокирующий НТЗ НП, т .е. запрещающий ей действовать. В случае КЗ на защищаемой ЛЭП(К1) релеКWOне работает и НТЗ НП действует только по сигналу, подаваемому реле токаКАОбез разрешающего сигнала РНМ, как ненаправленная НТЗ НП. При такой схеме чувствительность пускового реле должна быть меньше чувствительности РНМ, когда последнее блокирует РЗ.