КУРС ЛЕКЦИЙ 1 семестр-1

Рис.5-10. Определение коэффициента токораспределения для дистанционной защиты, установленной на линии Л1 подстанции I.

Рис.5-11. Изображение характеристики направленного реле сопротивления.

Выводы:

1.Дистанционная защита удовлетворяет требованиям селективности, быстродействия и чувствительности в сетях любой конфигурации с любым числом источников питания.

2.Дистанционная защита применяется в качестве основной защиты линии от междуфазных к.з. в сетях напряжением 110-220 кВ и в качестве резервной защиты линий напряжением до 750 кВ включительно.

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

81

6.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ТОКОВЫЕ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ

Часто, по условиям устойчивости требуется обеспечить быстрое отключение к.з. на линии в пределах всей защищаемой зоны. Это требование невозможно выполнить с помощью рассмотренных ранее защит с относительной селективностью (ТО, МТЗ, дистанционных защит). В этих случаях необходимо использовать защиты с абсолютной селективностью, принцип действия которых обеспечивает отключение повреждений без выдержки времени в пределах всей защищаемой линии. К таким защитам относятся дифференциальные токовые защиты, которые обеспечивают практически мгновенное отключение к.з. в любой точке защищаемого участка и не срабатывают (обладают селективностью) при к.з. за пределами защищаемой линии (при внешних к.з.).

Дифференциальные токовые защиты подразделяются на продольные и поперечные. Последние (поперечные дифференциальные защиты) используются только для защиты

параллельных линий.

К защитам с абсолютной селективностью относятся также дифференциально-фазные высокочастотные защиты, которые нашли широкое применение в качестве основных защит линий в сетях напряжением 110-750 кВ.

6.1.Продольные дифференциальные защиты.

Принцип действия продольных дифференциальных защит основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.

Очевидно, что при внешнем к.з. токи по концам защищаемой линии направлены в одну сторону и равны по величине, а при к.з. на линии они направлены в разные стороны и, как правило, не равны по величине (рис. 6-1). Следовательно, сравнивая величину и фазу

(направление) токов по концам линии можно определять, где возникло повреждение – на линии или за её пределами.

Рис.6-1. Токи по концам линии (а) при внешних к.з. и (б) на линии.

Для осуществления продольной дифференциальной защиты по концам защищаемой линии устанавливаются трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются при помощи соединительных проводов и подключаются к дифференциальному реле таким образом, чтобы при внешних к.з. ток в реле был равен разности токов в начале и конце защищаемой линии, а при к.з. на линии – их сумме.

На рис. 6-2 представлена схема продольной дифференциальной защиты линии с

циркулирующими токами.

В этой схеме при прохождении по защищаемой линии сквозного тока (нагрузки или внешнего к.з.) по соединительным проводам, соединяющим вторичные обмотки трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 постоянно циркулирует ток, равный по величине вторичному току трансформаторов тока:

	I1		I2		Iу		I1	. Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается обмотка токового реле Т,
							nT

которое совместно с ТТ1 и ТТ2 образует дифференциальную защиту. Вторичные обмотки ТТ

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

82

соединяются так, чтобы при внешнем к.з. токи в соединительных проводах имели одинаковое направление, а ток в реле был равен разности вторичных токов трансформаторов тока:

IP I1 I2

При равенстве коэффициентов трансформации ТТ1 и ТТ2:

IP 0

Таким образом, при прохождении по защищаемой линии сквозного тока нагрузки или внешнего к.з. ток в реле продольной дифференциальной защиты отсутствует и, следовательно, дифференциальная защита на такие режимы не реагирует. Поэтому защита не требует выдержки времени, т.е. является селективной по своему принципу действия.

Однако, из-за имеющихся погрешностей трансформаторов тока в реле будет проходить ток небаланса:

IP I1 I2 Iнб 0 .

Для того, чтобы дифференциальная защита не срабатывала ложно от токов небаланса, ток срабатывания защиты должен быть больше максимального значения тока небаланса при внешних к.з.

Iс.з. Кн Iнб.макс

где:
Кн	-	коэффициент надёжности, больший единицы;
Iнб.макс.	-	максимальное значение тока небаланса при внешнем к.з.

При к.з. на защищаемой линии в условиях одностороннего питания (рис. 6-2, б) от подстанции А ток к.з. проходит только через трансформаторы тока ТТ-1.

Вторичный ток I I1к.з. , разветвляется по 2-м направлениям: в сторону обмотки реле Т и в

1 nT

сторону вторичной обмотки ТТ2. Однако, поскольку сопротивление вторичной обмотки ТТ находящегося в режиме холостого хода во много раз больше сопротивления обмотки реле, то практически весь ток I1 замыкается через реле:

IP		I1	I1к.з.
				nT

т.е. в реле проходит полный ток к.з., дифференциальная защита срабатывает и производит отключение поврежденной линии.

При к.з. на линии с двухсторонним питанием (рис. 6-2, в) первичные токи I1к.з. и III к.з. по концам защищаемой линии направлены к месту к.з. от шин подстанций в линию. При этом направление первичного тока на одном из концов линии меняет направление на противоположное по сравнению с режимом внешнего к.з. (рис. 6-2, а). В этом случае ток в обмотке реле Т суммируется:

IP		I1		I2	I1к.з. IIIкIк. Iк.з.
						nT		nT		nT

Таким образом, и в случае двухстороннего питания в реле дифференциальной защиты проходит полный ток к.з., приходящий к месту к.з., следовательно, дифференциальная защита, реагируя на полный ток к.з., обладает необходимой чувствительностью.

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

83

Коэффициент чувствительности продольной дифференциальной защиты определяется по формуле:

Kч Iк.з. мин 2 .

Iс.з.

где:
Iк.з. мин	-	минимальное значение тока к.з. при к.з. на защищаемой линии;
Iс.з.	-	ток срабатывания дифференциальной защиты.

Участок, ограниченный трансформаторами тока, называется зоной действия продольной дифференциальной защиты.

Рис. 6-2. Прохождение токов в схеме продольной дифференциальной защиты с циркулирующими токами:

а) при к.з. вне зоны защиты;

б) при к.з. в зоне защиты при одностороннем питании;

в) при к.з. в зоне защиты при двухстороннем питании.

Одна из особенностей продольной дифференциальной защиты линий состоит в том, что для отключения линии с 2-х сторон необходимо включать в токовые цепи защиты два реле с обоих концов защищаемой линии (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Принцип выполнения продольной дифференциальной защиты линий (установка 2-х реле по концам защищаемой линии).

Применение 2-х реле приводит к снижению чувствительности защиты, т.к. в каждом реле проходит только часть полного тока к.з. Кроме того, из-за большой протяженности

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

84

соединительных проводов нагрузка на трансформаторы тока достаточно велика, что также является недостатком защиты.

В нашей стране промышленностью выпускается и используется для защиты линий длиной до 10-12 км продольная дифференциальная защита типа ДЗЛ.

Дифференциальная защита может быть выполнена по другой схеме – на равновесии напряжений. В этом случае вторичные обмотки ТТ соединяются так, чтобы при внешнем к.з. их э.д.с. были направлены встречно, а реле включаются последовательно в цепь соединительных проводов (рис. 6-4).

Рис.6-4. Принцип действия продольной дифференциальной защиты на равновесии напряжений:

а) при внешних к.з.

В схеме дифференциальной защиты на равновесии напряжений при внешних к.з., а также при прохождении токов нагрузки вторичные э.д.с. ТТ равны и совпадают по фазе и т.к. токи по концам защищаемой линии равны и равны коэффициенты трансформации ТТ, то ток в реле:

	IP		EBI	EBII	0
				Z
где:
Z		-		полное сопротивление контура «трансформаторы тока – реле».

Из-за погрешностей ТТ появляется э.д.с. небаланса Eнб EBI EBII и в реле появляется ток небаланса Iнб и ток срабатывания защиты необходимо отстраивать от тока небаланса при внешних к.з.

При к.з. в зоне защиты вторичные э.д.с. EBI и EBII складываются и вызывают появление тока

в реле под действием, которого защита срабатывает.

Однако, в нашей стране наибольшее распространение получила схема дифференциальной защиты основанная на принципе циркуляции токов.

Выводы:

1.Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении величины и фазы токов по концам защищаемой линии.

2.Продольная дифференциальная защита не требует замедления на срабатывание, т.е. является селективной по своему принципу действия.

3.Продольная дифференциальная защита применяется в качестве основной защиты линий небольшой протяжённости, а также в качестве основной защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей и сборных шин распределительных устройств напряжением 6–500 кВ.

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

85

6.2.Поперечные дифференциальные защиты.

На параллельных линиях, имеющих одинаковое сопротивление, применяются поперечные дифференциальные защиты: токовая поперечная дифференциальная защита (на параллельных линиях, имеющих один общий выключатель); направленная поперечная дифференциальная защита (на параллельных линиях с самостоятельными выключателями).

Принцип действия поперечных дифференциальных защит линий основан на сравнении величин и фаз токов протекающим по обеим параллельным линиям.

Действительно в нормальном нагрузочном режиме и в режимах внешнего к.з. токи в обеих линиях равны как по величине, так и по фазе (рис. 6-5). Очевидно, что в случае к.з. на одной из параллельных линий равенство токов нарушается при этом на питающем конце линий токи совпадают по фазе, а на приёмном противоположны по фазе.

Рис. 6-5. Распределение токов в параллельных линиях:

а) при нормальной нагрузке и в режиме внешнего к.з.

Токовая поперечная дифференциальная защита устанавливается на параллельных линиях имеющих общий выключатель на обе линии.

При одностороннем питании линий защиты размещается только со стороны источника питания, а в сети с 2-х сторонним питанием – с обеих сторон параллельных линий.

Упрощенная принципиальная схема токовой поперечной дифференциальной защиты показана на рис. 6-6. Вторичные обмотки ТТ, установленных на каждой линии. соединяются между собой по схеме на разность токов. Параллельно вторичным обмоткам ТТ включается токовое реле типа РТ-40.

Очевидно, что ток в реле равен разности вторичных токов ТТ первой и второй параллельных линий, т.е.:

IP I1 I2

В нормальном нагрузочном режиме, когда по линиям проходят равные по величине и фазе токи, а также в режиме внешнего к.з. первичные токи II=III, и поскольку коэффициенты трансформации ТТ защиты выбираются также одинаковыми как и в продольной дифференциальной защите, то вторичные токи также равны и ток в реле IP=0.

Практически из-за погрешностей ТТ и неравенства первичных токов II и III в реле протекает небольшой ток называемый током небаланса.

При к.з. на одной из параллельных линий (например, в точке К на линии Л1, как показано на рис. 6-6) токораспределение изменится, токи II и III не будут равны друг другу и через реле будет проходить ток равный разности вторичных токов и если этот ток будет больше тока срабатывания реле, то защита подействует на отключение выключателя обеих линий.

При внешних к.з. (на шинах приемной подстанции или за её пределами) т.е. при прохождении по линиям сквозного тока, защита работать не будет.

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

86

Рис. 6-6. Принцип действия токовой поперечной дифференциальной защиты:

а) режим нагрузки и внешнего к.з.;

б) режим к.з. на одной линии Л1.

Таким образом, токовая поперечная дифференциальная защита имеет ограниченную параллельными линиями зону действия, также как и продольная дифференциальная защиты

является защитой с абсолютной селективностью и поэтому может выполняться без выдержки времени, что является её основным достоинством.

Для того чтобы токовая поперечная дифференциальная защита не подействовала неправильно при прохождении по линии тока нагрузки и тока внешнего к.з., ток срабатывания её должен быть больше максимального тока небаланса:

Iк.з. Кн Iнб.макс ,

где:
Кн	-	коэффициент надёжности >1
Iнб. макс	-	максимальное значение тока небаланса при внешнем к.з.

Следует иметь ввиду, что токовая поперечная дифференциальная защита имеет так называемую «мёртвую зону» вблизи шин противоположной подстанции, которая тем меньше, чем меньше ток срабатывания защиты и чем больше ток к.з.

Действительно, если к.з. произошло на одной из линий близки шин противоположной подстанции, то величины токов II и III будут вблизи по величине, их разность может оказаться меньше тока срабатывания защиты и защита не подействует.

На линиях с односторонним питанием токовая поперечная дифференциальная защита устанавливается только со стороны источника питания, а на линиях с 2-х сторонним питанием – с обеих сторон линий.

Как отмечалось выше, недостатком поперечной дифференциальной защиты является наличие «мёртвой зоны», что требует установки дополнительной защиты от повреждений в конце защищаемых линий. В качестве такой дополнительной защиты обычно применяется МТЗ.

Направленная поперечная дифференциальная защита

Рассмотренная выше токовая поперечная дифференциальная защита не способна определять на какой из 2-х параллельных линий произошло повреждение. Это обстоятельство не имеет значение для линий присоединённых к шинам подстанции через один выключатель.

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

87

Для параллельных линий подключённых к шинам через самостоятельные выключатели применяется другая защита – направленная поперечная дифференциальная защита, которая способна выбирать и отключать только одну повреждённую линию.

Упрощённая принципиальная схема направленной поперечной дифференциальной защиты приведена на рис. 6-7. Защита состоит из пускового органа 1 (токового реле) включённого так же, как в токовой поперечной дифференциальной защите и органа направления мощности 2 (реле направления мощности) включённого на разность токов защищаемых линий и на напряжение шин питающей подстанции. Оперативный ток подаётся на защиту через последовательно соединённые блок-контакты выключателей обеих линий, для того чтобы защита автоматически выводилась из работы при отключении одной из линий во избежание её неселективного действия при сквозных (внешних) к.з.

Рис. 6-7. Принцип действия направленной поперечной дифференциальной защиты параллельных линий:

а) упрощённая принципиальная схема защиты;

б) векторная диаграмма при к.з. на линии I;

в) векторная диаграмма при к.з. на линии II.

При повреждении на линии I ток в линии II>III, и поэтому их разность, т.е. ток в реле будет иметь то же направление, как и ток в повреждённой линии I. Реле направления мощности замыкает свои контакты и отключается только повреждённая линия I.

При повреждении на линии II ток III>II и ток в реле Ip изменит своё направление на противоположное и реле направления мощности, замыкая другие контакты, обеспечит отключение повреждённой линии II.

Ток срабатывания пусковых токовых реле необходимо выбирать по двум условиям:

1. Защита не должна ложно срабатывать от токов небаланса нормального режима и режима внешнего к.з., т.е.

Iс.з.=Кн Iнб.макс

2. Защита не должна ложно срабатывать от максимального тока нагрузки в режиме, когда на одном конце включены выключатели обеих линий, а на другом – только одной линии

Iс.з. Кн Кз Iн .ммак

КВ

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

88

где:
Кн	-	коэффициент надёжности, равный 1,1-1,25
Кз	-	коэффициент самозапуска электродвигателей, равный 2-3
Кв	-	коэффициент возврата токового реле, равный 0,85 для реле типа РТ-40.

Определяющим является условие, по которому получается большее значение тока срабатывания.

Направленная поперечная дифференциальная защита так же имеет «мёртвую зону» при повреждениях вблизи шин противоположной подстанции и при к.з. в этой зоне действует каскадно.

Так, при повреждении в точке (рис. 6-8) линии II вблизи шин подстанции Б токи II и III будут вблизи по величине и токораспределение будет таким как показано на рис. 6-8, а. Токи в

реле будут равны:
на подстанции А:	IP			III	II			Iс.р.
				nT
на подстанции Б:	IP		III		II			Iс.р.
				nT

Рис. 6-8. Каскадное действие направленной поперечной дифференциальной защиты

а) срабатывание защиты со стороны п/ст. Б

б) срабатывание защиты со стороны п/ст. А после отключения выключателя на п/ст. Б.

Таким образом, защита на подстанции А действовать не будет, а на подстанции Б сработает и отключит выключатель повреждённой линии II. После отключения токораспределение изменится и станет таким как показано на рис. 6-8,б. Ток к.з. по линии I прекратится, а в реле защиты подстанции А ток станет равным току к.з., проходящему по линии II и защита сработает

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

89

и отключит выключатель линии II на подстанции А, чем будет полностью ликвидировано к.з. на этой линии.

Участки линий вблизи шин подстанций при повреждении на которых направленная поперечная дифференциальная защита действует каскадно, называются зоной каскадного действия. Наличие зоны каскадного действия является существенным недостатком направленной поперечной дифференциальной защиты т.к. приводит к увеличению времени отключения к.з. в 2 раза.

Вторым серьёзным недостатком направленной поперечной дифференциальной защиты является наличие «мёртвой зоны» органа направления мощности при близких 3-х фазных к.з., когда напряжение, подводимое к реле, практически снижается до нуля.

Чувствительность защиты определяется по к.з. на границе зоны каскадного действия и в точке равной чувствительности. За точку равной чувствительности принимается точка к.з., в которой токи в реле дифференциальной защиты по обоим концам защищаемых линий равны. Коэффициент чувствительности должен быть не менее 2.

Выводы:

1.Поперечные дифференциальные защиты устанавливаются на параллельных линиях: токовая поперечная дифференциальная защита – на параллельных линиях, имеющих один общий выключатель; направленная поперечная дифференциальная защита – на параллельных линиях с самостоятельными выключателями.

2.Принцип действия поперечных дифференциальных защит основан на сравнении величин и фаз токов протекающим по обеим параллельным линиям.

3.Поперечные дифференциальные защиты отличаются простотой, высоким быстродействием и достаточно высокой чувствительностью.

4.Принципиальными недостатками поперечных дифференциальных защит являются необходимость вывода её из работы при отключении одной из параллельных линий, а также наличие зоны каскадного действия, что не позволяет отключать повреждения мгновенно в пределах всей линии.

6.3.Дифференциально-фазная высокочастотная защита.

Дифференциально-фазная высокочастотная (в.ч.) защита относится к быстродействующим защитам с абсолютной селективностью и применяется на линиях средней и большой длины в случаях, когда по условиям устойчивости требуется быстрое отключение к.з. в любой точке защищаемой линии.

Удовлетворяющие этому же требованию обычные продольные дифференциальные защиты из-за большой стоимости соединительного кабеля и большого его сопротивления для длинных линий непригодны.

Принцип действия дифференциально-фазной в.ч. защиты основан на сравнении фаз токов по концам защищаемой линии.

Принимая положительное направление тока от шин в линию можно сделать вывод о том, что при внешнем к.з. токи по концам линии имеют различные знаки и следовательно, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 1800. При к.з. на линии токи по её концам имеют одинаковый знак и их можно считать совпадающими по фазе. Таким образом, сравнивая фазы токов по концам линии можно установить место к.з.

Дифференциально-фазная в.ч. защита состоит из 2-х одинаковых полукомплектов, расположенных по концам защищаемой линии, а сравнение фаз токов осуществляется косвенным путём с помощью токов высокой частоты, которые передаются по высокочастотному каналу с использованием проводов защищаемой линии.

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

90