5. Дистанционные защиты линий

1. Назначение и принцип действия дистанционной защиты

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания максимальные токовые направленные защиты и тем более простые максимальные токовые защиты не могут обеспечить селективности отключения к.з. В этом легко убедиться на примере кольцевой сети с двумя источниками питания, представленной на рис. 5-1.

Рис.5-1. Схема кольцевой сети с двумя источниками питания.

При к.з. в точке К1 защита 3 должна работать быстрее защиты 1, а при к.з. в точке К2 наоборот защита 1 должна работать быстрее защиты 3.

Кроме того, максимальные токовые защиты часто не удовлетворяют требованиям быстродействия и чувствительности. Поэтому, для защиты сетей со сложной схемой и с несколькими источниками питания применяются более сложные дистанционные защиты (ДЗ), которые обеспечивают необходимую селективность, быстродействие и чувствительность.

Дистанционной защитой называется защита, выдержка времени которой автоматически изменяется в зависимости от удалённости (от расстояния или дистанции) места к.з. от места установки защиты.

Например, при к.з. в точке К1 (рис. 5-2) защита 2, расположенная ближе к месту повреждения должна работать с меньшей выдержкой времени, чем более удалённая защита 1. Если же к.з. возникнет в точке К2, то выдержка времени защиты 2 автоматически должна увеличится т.к. расстояние (дистанция) от защиты 2 до места к.з. К2 больше чем при к.з. К1. В последнем случае к.з. будет селективно отключено защитой 3, расположенной ближе к месту повреждения и, следовательно, имеющей меньшую выдержку времени.

Рис.5-2. Зависимость выдержки времени дистанционной защиты от расстояния до места к.з.

Таким образом, при к.з. на линии по защищаемой линии проходит ток I_к.з.>I_норм, а напряжение на шинах подстанции, питающей линию, снижается U_ш<U_норм и равно падению напряжения в сопротивлении участка линии Z_к.з. от шин подстанции до точки к.з.

(5-1)

Нетрудно видеть, что отношение остаточного напряжения на шинах к току к.з. равно сопротивлению участка линии до места к.з.:

(5-2)

Сопротивление линии или её участка можно выразить через удельное сопротивление Z_уд. и расстояние до места к.з. L_к.з.:

(5-3)

Следовательно, отношение остаточного напряжения на шинах к току к.з., проходящему по защищаемой линии пропорционально расстоянию (дистанции) L_к.з. от места установки защиты до места к.з.

Выводы:

Для защиты сетей напряжением 110 кВ и выше со сложной конфигурацией и с несколькими источниками питания применяются дистанционные защиты (ДЗ) выдержка времени которых автоматически изменяется в зависимости от расстояния (дистанции) места к.з. до места установки защиты.

2. Характеристика измерительных органов дистанционной защиты

Основным органом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удалённость (дистанционно) к.з. от места установки защиты.

В качестве дистанционного органа используются реле сопротивления, измеряющие сопротивление линии до места к.з. и определяющее на каком участке произошло повреждение и совместно с другими органами защиты, обеспечивающее её действие с необходимой выдержкой времени.

Реле сопротивления могут выполняться реагирующими на полное сопротивление линии или на её индуктивное (реактивное) сопротивлениеХ. Соответственно этому реле называются реле полного сопротивления или реле реактивного сопротивления.

В России используются только реле полного сопротивления.

Реле сопротивления могут выполняться на индукционной или полупроводниковой основе. Основное отличие различных типов реле сопротивления заключается в способе обработки информации о токе и напряжении.

Проведение реле сопротивления в различных режимах зависит от его характеристики , где- угол между током и напряжением подводимых к реле сопротивления.

Полное сопротивление Z состоит из активного R и реактивного Х сопротивлений: или, поэтому характеристику реле обычно представляют в плоскостиZ, откладывая R по горизонтальной, а X – по вертикальной оси.

Характеристики реле сопротивления дистанционных защит отстраивают от режимов нагрузки:

Характеристики реле сопротивления

1. Реле с круговой характеристикой с центром в начале координат.

Рис.5-3. Круговая характеристика с центром в начале координат.

Зона, ограниченная окружностью, является зоной действия реле.

Сопротивление срабатывания таких реле не зависит от _Р, поэтому их называют реле полного сопротивления.

2. Реле с круговой характеристикой, проходящей через начало координат.

Рис.5-4. Круговая характеристика, проходящая через начало координат.

Реле с такой характеристикой не работают при направлении тока из линии к шинам, поэтому оно является направленным. Точка 0 соответствует началу защищаемой линии. При коротком замыкании в начале линии, когда R и Х равны нулю, реле не работает, что является его недостатком. Угол , при котором сопротивление срабатывания реле максимально, называется углом максимальной чувствительности.

3. Реле с эллиптической характеристикой.

Рис.5-5. Реле с эллиптической характеристикой.

Такие характеристики использовались для третьих ступеней защит с целью улучшения отстройки от рабочих режимов и получения большей чувствительности.

4. Реле с многоугольными характеристиками.

Рис. 5-6. Реле с многоугольными характеристиками.

Четырехугольная характеристика (а) используется для выполнения второй и третьей ступней защит. Её верхняя сторона должна фиксировать концы защищаемых зон, правая боковая сторона обеспечивает отстройку от рабочих режимов. Левая сторона отстраивает защиту от мощностей нагрузок, передаваемых к месту ее включения. Нижняя сторона обеспечивает работу защиты при близких повреждениях, сопровождающихся замыканием через переходное сопротивление.

Треугольная характеристика (б) применяется для реле сопротивления третьей ступени, обеспечивает необходимую отстройку от нагрузочных режимов с соблюдением требуемой чувствительности.

Зависимость выдержки времени дистанционной защиты от сопротивления (расстояния) до места к.з. называется характеристикой времени срабатывания защиты.

Существует три вида характеристик времени срабатывания дистанционных защит :наклонная, комбинированная и ступенчатая (рис.5‑7).

Рис.5-7. Характеристики времени срабатывания дистанционных защит:

а) наклонная;

б) ступенчатая;

в) комбинированная.

Наибольшее применение нашли дистанционные защиты со ступенчатыми временными характеристиками.

Из рис.5-8 видно, что ступенчатая характеристика состоит из нескольких участков (обычно двух или трёх), называемых зонами. На рисунке участок а-б является первой зоной, участок б-в – второй зоной, а участок в-г – третьей зоной. Каждой зоне соответствует своя ступень выдержки времени t_I, t_II, t_III неизменные в пределах своей зоны. Обычно выдержка времени первой зоны t_I=0. Чем больше сопротивление до места к.з. тем с большей выдержкой времени действует дистанционная защита, т.е. Z_I<Z_II<Z_III и соответственно t_I<t_II<t_III.

Рис.5-8. Принцип действия (а) и характеристика (б) дистанционной защиты.

Первая зона дистанционной защиты, как правило, настраивается на 80‑85% длины защищаемой линии. Больший охват линии недопустим, т.к. из-за имеющихся погрешностях ТТ, ТН и реле сопротивления дистанционная защита может сработать при к.з. на смежной (следующей) линии.

Конец линии Л₁, шины подстанции Б и часть линии Л₂ охватывает вторая зона дистанционной защиты. Третья зона охватывает линию Л₂ и резервирует её защиты.

Реле сопротивления по принципу своего действия срабатывает, когда измеренное им сопротивление меньше настроенной на нём уставки:

Z_с.з.<Z_к.з.

Поэтому реле сопротивления второй зоны дистанционной защиты с уставкой Z_II срабатывает при к.з. в первой и второй зоне, а реле сопротивления третьей зоны с уставкой Z_III срабатывает при к.з. в первой, второй и третьей зонах.

Однако, поскольку выдержки времени t_I<t_II<t_III, то всегда срабатывает ступень, имеющая меньшую выдержку времени, чем и обеспечивается ступенчатость характеристики.

Для обеспечения селективности дистанционной защиты в сетях сложной конфигурации выполняются направленными, действующими при направлении мощности к.з. от шин в линию, а выдержки времени защит, работающих при одинаковом направлении мощности, взаимно согласовываются аналогично токовым направленным защитам.

Направленность действия дистанционных защит может осуществляться при помощи реле направления мощности или направленных реле сопротивления.

Выводы:

1. Основным органом дистанционной защиты является дистанционный орган в качестве которого используются реле сопротивления измеряющие сопротивление до места к.з.

2. Реле сопротивления могут выполняться реагирующими на полное сопротивление или на индуктивное сопротивление линии Х.

3. В дистанционных защитах применяются реле сопротивления: с круговой, эллиптической и многоугольными характеристиками.

4. Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации выполняются направленными.