КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр

2.Токовые ступенчатые защиты нашли широкое применение для защиты от междуфазных к.з. в радиальных высоковольтных сетях напряжением до 35 кВ с односторонним питанием.

3.По принципу действия ступенчатые токовые защиты не обеспечивают требование селективности в кольцевых сетях и сетях с несколькими источниками питания.

3.6.Токовые направленные защиты линий

Необходимость в применении направленных защит возникает в кольцевых сетях, в сетях с 2-х сторонним питанием и, особенно в сложных сетях с несколькими источниками питания, так как простые (ненаправленные) токовые защиты в большинстве случаев не обеспечивают необходимую селективность. Защиты в таких сетях должны не только реагировать на появление тока к.з., но и для обеспечения селективности должны также учитывать направление (знак) мощности к.з. в защищаемой линии (фазу тока в линии относительно напряжения на шинах).

Действительно, в сетях с 2-х сторонним питанием (рис. 3-15) направление тока и

мощности к.з. зависит от места возникновения к.з. и может иметь два противоположных направления. Например, при к.з. в точке К1 через защиту 5 проходит ток IК1В от источника питания В к точке к.з. При к.з. в точке К2 ток IК2А, проходящий через защиту 5, направлен от источника А и противоположен току IК1В.

Рис.3-15. Схема сети с 2-х сторонним питанием и размещение защит.

Исходя из векторной диаграммы, представленной на рис. 3-16, в первом случае, ток IК1 отстаёт от напряжения на шинах UШ подстанции 3 на угол К1, а мощность к.з. положительна и направлена от шин в линию, то во втором случае ток IК2 имеет противоположное направление (сдвинут относительно тока IК1 на 1800) и соответствующая ему мощность к.з. отрицательна и направлена из линии к шинам.

Рис.3-16. Векторная диаграммы токов и напряжений в месте установки защиты 5 (рис. 4-1) при к.з. в точках К1 и К2.

Таким образом, определяя направление мощности к.з., проходящей по линии, можно выявить, где возникло к.з. – на защищаемой линии или на других присоединениях, отходящих от шин данной подстанции.

На основании изложенного, направленной называется защита, действующая только при

определённом направлении (знаке) мощности к.з.

Направленные защиты для обеспечения селективности в сетях с 2-х сторонним питанием должны устанавливаться с обеих сторон каждой линии и действовать при направлении мощности

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

51

от шин в линию, а выдержки времени защит, работающих при одном направлении мощности, должны согласовываться между собой по ступенчатому принципу, нарастая по направлению к источнику питания, от тока которого они действуют.

Максимальная токовая направленная защита

Защита, реагирующая на значение тока и направление (знак) мощности к.з., называется максимальной токовой направленной защитой.

Защита должна приходить в действие при соблюдении 2-х условий: ток превышает заданное значение (уставку тока срабатывания); знак мощности к.з. соответствует к.з. в защищаемом направлении.

Орган, определяющий знак мощности к.з. называется органом направления мощности. Кроме измерительного органа (реле тока), органа направления мощности (реле направления

мощности), защита имеет орган выдержки времени (реле времени).

Упрощенная схема максимальной токовой направленной защиты представлена на рис. 3-17, а.

а) б)

Рис.3-17. Упрощённая схема максимальной токовой направленной защиты.

В качестве реле направления мощности могут применяться электромеханические реле или реле на полупроводниках. Поведение этих реле зависит от знака проведённой к зажимам реле мощности:

SP UP IP Sin - P

где:

имеет постоянную величину, равную 0, 900 или 1 (900> 1 >0)

Реле направления мощности в схемах максимальных токовых направленных защит могут подключаться к токовым цепям и цепям напряжения по различным схемам так как мощность, подводимая к реле SP может иметь недостаточную для срабатывания реле величину (при близких

к.з. за счёт снижения напряжения UP			или при неблагоприятных значениях угла Р когда Sin
- P		равен или близок к нулю).
	Наибольшее применение нашли		так называемые 90-градусные и 30-градусные схемы

подключения реле направления мощности. (Схемы условно именуются по углам p между током

и напряжением, подведённым к реле в симметричном 3-х фазном режиме при условии, что токи в фазах совпадают с одноименными фазными напряжениями). В таблице 3-2 даны указания по различным сочетаниям токов и напряжений применительно к схеме включения реле направления мощности, представленной на рис. 3-18. На этом же рисунке представлены векторные диаграммы токов и напряжений при 90 и 30 градусным схемам подключения реле направления мощности.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

52

Таблица 3-2

90-градусная схема включения				30-градусная схема включения
Реле	IP		UP	Реле	Ip		UP
I	IA		UBC	I	IA		UAC
II	IB		UCA	II	IB		UBA
III	IC		UAB	III	IC		UCB

Рис.3-18. Схема включения реле направления мощности и векторные диаграммы токов и напряжений, подводимых к реле:

а) при 90-градусной схеме; б) при 30-градусной схеме.

Следует иметь ввиду, что реле направления мощности включенные на ток неповреждённых фаз может действовать неправильно, поэтому в схемах направленных токовых защит применяют пофазный пуск, принцип действия которого заключается в том, что пусковые реле разрешают замыкать цепь на отключение только реле мощности включённым на токи повреждённых фаз. Схема максимальной токовой направленной защиты с пофазным пуском приведена на рис. 3-19.

Рис.3-19 Схемая максимальной направленной защиты с пофазным пуском.

В сетях с глухозаземлённой нейтралью защита выполняется в 3-х фазном 3-х релейном исполнении, а в сетях с изолированной нейтралью защита устанавливается на 2-х одноимённых фазах во всей сети.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

53

Защита, как правило, дополняется устройством, контролирующим исправность цепей напряжения, т.к. при нарушениях в цепях напряжения питающих реле направления мощности защита может подействовать неправильно.

Для отключения однофазных к.з. обычно применяются отдельные защиты, реагирующие на токи и напряжения нулевой последовательности. Поэтому максимальная токовая направленная защита часто используется только в качестве защиты от междуфазных к.з., а при замыканиях на землю защита блокируется с помощью специального токового реле, включаемого в нулевой провод трансформаторов тока соединенных в звезду на ток нулевой последовательности. Развёрнутая схема максимальной токовой направленной защиты с блокировкой при замыкании на землю представлена на рис. 3-20.

Рис.3-20. Развёрнутая схема максимальной направленной защиты с блокировкой при замыкании на землю:

Ток срабатывания токовых направленных защит выбирается аналогично току срабатывания обычных МТЗ по условиям отстройки от максимальных нагрузочных режимов. При этом

отстройка производится от токов, направленных от шин в линию.

Выбор выдержек времени токовых направленных защит производится по встречноступенчатому принципу. При этом защиты разделяются на две группы с учётом направленности их действия, т.е. производится согласование по времени защит, действующих в одном направлении. Так, на примере, представленном на рис. 3-21 выбираются выдержки времени защит, имеющих нечётные номера, начиная от наиболее удалённой от источника питания защиты 7, на которой выбирают наименьшую выдержку времени:

tA7 tA5 tA3 tA1

Аналогично выбираются выдержки времени защит, действующих в другую сторону и имеющих на рис. 3-22 чётные номера:

tБ2 tБ4 tБ6 tБ8 .

В схемах с блокировкой по напряжению напряжение срабатывания реле минимального напряжения также выбирается аналогично обычной МТЗ с пуском по минимальному напряжению.

Рис.3-21. Ступенчатый принцип выбора выдержки времени максимальных токовых направленных защит.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

54

Чувствительность токовых пусковых органов максимальной токовой направленной защиты оценивается по току 2-х фазного к.з. в конце защищаемой линии и в конце резервируемых участков.

При оценке чувствительности следует учитывать возможность возникновения режима

каскадного действия и наличия мёртвой зоны по напряжению.

При к.з. вблизи источника в кольцевой сети с односторонним питанием (рис. 3-22) ток к.з., проходящий через защиту установленную на противоположных шинах, может оказаться недостаточным для её срабатывания. В этом случае, независимо от соотношения выдержек времени, первой сработает защита, установленная вблизи источника (защита 6) и после отключения линии ток в месте установки защиты 5 увеличится и становится достаточным для её срабатывания. Такое действие защиты называется каскадным, а участок линии, в пределах которого защита работает каскадно, называется зоной каскадного действия.

Рис.3-22. Схема кольцевой сети с одним источником питания.

При 3-х фазном к.з. вблизи места установки защиты, напряжение, проводимое к реле направления мощности, может оказаться недостаточным для срабатывания реле, и направленная защита не срабатывает. Участок линии, в пределах которого при 3-х фазных к.з. направленная защита не работает, называется «мёртвой зоной».

Токовые направленные отсечки

Токовые направленные отсечки основаны на том же принципе, что и токовые ненаправленные отсечки.

Реле направления мощности в схемах направленных отсечек не позволяет им действовать при мощности к.з. направленной к шинам. Следовательно, отстройка тока срабатывания направленной отсечки должна вестись только от токов к.з. направленных от шин в линию.

В этом заключается принципиальное отличие токовой направленной отсечки от ненаправленной.

Направленные отсечки применяются в сетях с 2-х сторонним питанием, тогда обычная токовая отсечка оказывается слишком грубой из-за необходимости отстройки её от тока к.з. протекающего с противоположного конца защищаемой линии к шинам подстанции, где установлена ТО. В этом случае Iс.з. у направленной отсечки меньше, а зона её действия значительно больше, чем у ненаправленной отсечки.

Схема мгновенной направленной отсечки отличается от схемы направленной максимальной токовой защиты только отсутствием реле времени.

Направленные ТО могут выполняться мгновенными или с выдержкой времени. Ток срабатывания её выбирается аналогично простой ТО с тем отличием, что направленную токовую отсечку не требуется отстраивать от к.з. за шинами данной подстанции (от к.з. «за спиной»), т.к. в этом случае мощность к.з. направлена к шинам и защита блокируется реле направления мощности.

Кроме того, направленные отсечки необходимо отстраивать от токов при качаниях или снабжать специальной блокировкой от качаний.

Сочетание токовых направленных отсечек (мгновенных и с выдержками времени) и

максимальных токовых направленных защит позволяет получить токовые направленные защиты со ступенчатой характеристикой выдержки времени.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

55

Как правило, первые и вторые ступени представляют собой токовые направленные отсечки без выдержки времени и с выдержкой времени, а третья ступень – максимальную токовую направленную защиту.

Ступенчатые направленные защиты являются основным видом защит для линий напряжением до 35 кВ в кольцевых сетях, а также в сетях с 2-х сторонним питанием.

Выводы:

1.Применение органа направления мощности (реле направления мощности) позволяет обеспечить селективность токовых защит в кольцевых сетях с одним источником питания, а также в радиальных сетях с несколькими источниками питания.

2.К недостаткам токовых направленных защит относятся:

большие выдержки времени вблизи источников питания;

недостаточная чувствительность в нагруженных и протяжённых линиях;

наличие «мёртвой зоны» при 3-х фазных к.з. вблизи источников питания;

возможность неправильного выбора направления мощности к.з. при подключении реле направления и мощности к цепям тока и напряжения.

3.Направленные токовые защиты отличаются простотой и надёжностью и широко применяются в качестве основных защит в сетях напряжением до 35 кВ.

В сетях напряжением 110 и 220 кВ токовые направленные защиты используются как резервные.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

56

4.ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ

4.1.Защиты от замыканий на землю в сетях с большими токами замыкания на

землю.

Электрические сети напряжением 110 кВ и выше, как правило, выполняются с глухим заземлением нулевых точек трансформаторов. Такие сети являются сетями с большими токами замыкания на землю, так как в них к.з. на землю сопровождаются прохождением больших токов к.з., которые значительно превышают токи нагрузки и приводят к значительным разрушениям электрооборудования и понижению напряжения.

Для защиты линий от к.з. на землю (однофазных и двухфазных) применяются специальные защиты, реагирующие на ток и напряжение нулевой последовательности.

Необходимость установки на линиях специальной защиты нулевой последовательности вызвана тем, что однофазные к.з. на линиях являются преобладающими, а защита, включаемая на ток и напряжение нулевой последовательности, осуществляется наиболее просто и имеет ряд преимуществ по сравнению с рассмотренной ранее токовой защитой, реагирующей на полные токи фаз.

Защиты нулевой последовательности выполняются в виде МТЗ и ТО.

Напомним основные положения из метода симметричных составляющих, касающихся токов и напряжений нулевой последовательности, возникающих в сети при к.з. на землю.

Сущность этого метода состоит в том, что любая 3-х фазная несимметричная система векторов токов или напряжений может быть заменена суммой 3-х симметричных систем:

;

;

IA

IA1

IA2

IA0

UA

UA1

UA2

UA0

;

;

IA

IA1

IA2

IA0

UA

UA1

UA2

UA0

;

;

IC

IC1

IC2

IC0

UC

UC1

UC2

UC0

Векторные диаграммы систем симметричных составляющих представлены на рис.4-1.

Рис.4-1. Векторные диаграммы систем симметричных составляющих:

а) прямой последовательности; б) обратной последовательности;

Из рис. 4-1 видно, что:

-Векторы прямой последовательности вращаются против часовой стрелки, следуют друг за другом в чередовании А-В-С;

-Вектора обратной последовательности вращаются в чередовании А-С-В;

-Векторы нулевой последовательности совпадают по фазе и по направлению.

Внормальном симметричном режиме, а также при симметричном 3-х фазном к.з. полные токи и напряжения равны току и напряжению прямой последовательности, составляющие обратной и нулевой последовательности равны нулю.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

57

Составляющие обратной последовательности возникают в сети при любой несимметрии: 1 фазные к.з., 2-х фазные к.з., обрыв фазы, несимметричная нагрузка.

Из теории симметричных составляющих при замыканиях на землю необходимо выделить следующие положения:

1. Составляющие нулевой последовательности появляются только при к.з. на землю (однофазных и 2-х фазных), а также при обрыве одной или двух фаз. При междуфазных к.з. без земли (3-х и 2-х фазных) токи и напряжения нулевой последовательности отсутствуют.

Например, при к.з. на фазе А токи в месте повреждения равны:

IA IK ;

IB IC 0

и т.к.			1
	I0		3		IA	IB	IC

U0 13 UA UB UC

то I0 13 IA 13 IK

			(4-1)
IK		3I0

Напряжение повреждённой фазы в месте к.з. UA 0, т.к. эта фаза связана с землёй, поэтому напряжение нулевой последовательности:

		1				(4-2)
U0		3	UB	UC

При однофазном к.з. ток нулевой последовательности в месте повреждения равен 1/3 тока к.з. в той же точке и совпадает с ним по фазе, а напряжение нулевой последовательности равно 1/3 геометрической суммы напряжений неповрежденных фаз.

Таким образом, в месте к.з. на землю проходит ток равный сумме токов нулевой последовательности I0 всех трёх фаз, который и является действительным током повреждения IK=3I0. Этот ток направляется через землю к заземлённым нейтралям трансформаторов и возвращается в фазы сети, причем появление токов нулевой последовательности возможно только в сети, где имеются трансформаторы с заземлёнными нейтралями.

2.Если трансформатор имеет соединение обмоток / , то замыкание на землю на стороне треугольника не вызывает токов нулевой последовательности на стороне звезды.

3.Если сети различных напряжений связаны трансформатором, имеющим схему соединения / , с заземлёнными нулевыми точками обеих обмоток, то замыкание на землю в сети одной звезды вызывает появление токов нулевой последовательности в сети второй звезды.

4.При наличии автотрансформаторов, связывающих сети двух напряжений, замыкание на землю в сети одного напряжения вызывает появление токов нулевой последовательности в сети другого напряжения.

Распределение токов нулевой последовательности при однофазном к.з. представлены на рис. 4-2.

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

58

Рис.4-2 Распределение токов нулевой последовательности при 1ф. к.з.

а) при заземлении нейтрали с одной стороны линии;

б) при заземлении нейтралей с обеих сторон линии;

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

59

МТЗ нулевой последовательности представлена на рис. 4-3.

Рис.4-3. Схема МТЗ нулевой последовательности.

Токовое реле 1 включается на фильтр токов нулевой последовательности или в нулевой провод трансформаторов тока, соединенных по схеме полной звезды.

Реле времени 2 создаёт выдержку времени, необходимую по условию селективности.

При междуфазных к.з. без земли, а также при симметричной нагрузке защита не действует, поскольку в этих режимах сумма токов IA IB IC 0 и ток I0 отсутствует.

МТЗ нулевой последовательности имеет важное преимущество по сравнению с обычной МТЗ, так как не реагирует на нагрузку и поэтому имеет высокую чувствительность.

Для исключения действия защиты нулевой последовательности от токов небаланса из-за имеющих место погрешностей ТТ от намагничивающих токов, величину тока срабатывания пусковых токовых реле защиты необходимо выбирать больше тока небаланса.

Для ограничения тока небаланса необходимо работать в ненасыщенной части характеристик намагничивания ТТ и иметь одинаковые токи намагничивания во всех фазах. Чтобы обеспечить эти условия, ТТ питающие защиту должны:

-удовлетворять условию 10% погрешности при максимальном значении тока к.з. в начале следующего участка сети;

-иметь идентичные характеристики намагничивания во всех 3-х фазах;

-иметь одинаковые нагрузки вторичных цепей во всех фазах.

Таким образом, ток срабатывания МТЗ нулевой последовательности выбирается исходя из 2-х

условий: по условию надёжного срабатывания защиты при к.з. в конце следующего участка цепи; по условию отстройки от токов небаланса:

Iс.з. 3Iо.к.мин.

Iс.з. 3Iнб.макс.

Определяющим обычно является второе условие:

Iс.з. Кн Iнб.макс.

(4-3)

где:

Кн=1,3 1,5

Время срабатывания МТЗ нулевой последовательности выбирается по условию селективности

на ступень t больше времени срабатывания защиты предыдущего участка

t1 t2 t

Выбирая выдержку времени необходимо учитывать, что защита нулевой последовательности может не действовать при к.з. за трансформатором, если при этом в защите ток 3I0=0.

Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности:

C:\Users\KazantcevaVV\Desktop\лекции рзиа\КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр.docx

60