Н.В. Чернобровов Релейная защита

Выполнение подобных устройств, полноценно реагирующих на все возможные повреждения, является трудной задачей.

б) Блокирующие устройства, реагирующие на появление U0 и I0 при повреждениях в цепях напряжения

На рис. 6-12 приведены наиболее распространенные устройства этого типа. Они реагируют на появление напряжения и тока нулевой последовательности во вторичных цепях трансформатора

напряжения. Для этого реле 1 включается на напряжение нуле вой последовательности по одной из схем, приведенных на рис. 6-12.

В нормальных условиях вторичные напряжения трансформатора напряжения симметричны, поэтому их сумма равна нулю и напряжение на реле 1 отсутствует. При обрыве одной или двух фаз цепи напряжения возникает U0, под влиянием которого в реле 1 появляется ток и оно срабатывает, давая сигнал и выводя защиту из работы.

Реле 1 может действовать не только при обрывах, но и при к. з. на землю в первичной сети; чтобы предотвратить при этом блокирование защиты, ставится реле I0 (рис. 6-13), реагирующее на появление тока I0 в первичной сети; При замыканиях на землю в

первичной сети реле I0 размыкает цепь блокировки своим контактом. В случае же повреждения в цепях напряжения и нормальном состоянии первичной сети реле I0 не действует и разрешает реле 2 (на рис. 6-12 реле 1) блокировать защиту и подать сигнал о повреждении цепей. Рассмотренное устройство не реагирует на одновременный обрыв всех трех фаз цепи напряжения, на трехфазное к. з. во вторичных цепях и обрыв нулевого провода той же цепи. Однако вследствие своей простоты оно получило широкое распространение.

Чебоксарский электроаппаратный завод выпускает устройства подобного типа: КРБ-11 и КРБ-12.

в) Контроль цепей разомкнутого треугольника ТН

Контроль исправности цепи вторичной обмотки ТН, соединенной по схеме фильтра нулевой последовательности, производится путем периодического измерения напряжения небаланса с помощью вольтметра, включаемого по схеме на рис. 6-14. При исправной цепи

141

вольтметр показывает напряжение небаланса, имеющее величину 1—3 В, а при нарушении цепи показания пропадают.

г) Блокирующее устройство на сравнении напряжений двух вторичных обмоток ТН

Схема с семиобмоточным трансформатором. Более полноценным по сравнению с предыдущими является устройство контроля, показанное на рис. 6-15. Оно предназначено для трансформаторов напряжения с двумя вторичными обмотками Н1 и Н2, соединенными по схеме звезды и разомкнутого треугольника. Действие этого устройства основано на сравнении одноименных фазных напряжений обмоток Н1 и Н2, которые нормально одинаковы по величине и фазе.

Вслучае же неисправности во вторичной цепи одной из обмоток равенство напряжений нарушается, что и служит признаком повреждения, на которое реагирует устройство. Сравнение напряжений обмоток Н1 и Н2 производится с помощью многообмоточного вспомога-

тельного трансформатора 1 (рис. 6-15). Его обмотки А1 и А2, В1 и Вг, С1 и Сг, питаемые напряжением одноименных фаз, имеют попарно равное число витков и создают встречно направленные магнитные потоки. Витки обмоток, питающихся от разных фаз, неодинаковы и подобраны в определенном соотношении:

Внормальных условиях напряжения одноименных фаз контролируемых обмоток Н1 и Н2 одинаковы, поэтому создаваемые ими магнитные потоки в трансформаторе 1 взаимно уравновешиваются и ток в реле 2 отсутствует.

Вслучае обрыва одной или двух фаз в цепях обмотки Н1 или Н2 равновесие магнитных потоков соответствующих одноименных фаз обмоток трансформатора 1 нарушается, появляется остаточный поток, вызывающий ток в реле 2, под влиянием которого оно срабатывает.

При одновременном обрыве трех фаз вторичной цепи обмотки Н1 или Н2 сумма потоков в трансформаторе 1, обусловленных напряжениями, например UA1, U В1 и UC1 оставшейся обмотки Н1, не будет уравновешиваться вследствие неравенства витков wA1, wВ1, wC1, что и вызовет работу реле 2.

При к. з. в цепях обмотки Н1 или Н2 баланс напряжений нарушается, но, как показы-

142

вают анализ и испытания, в ряде случаев разница напряжений оказывается недостаточной, в результате чего реле 2 не действует.

На повреждения в первичной сети устройство не отзывается, поскольку при этом вторичные напряжения одноименных фаз обеих обмоток Н1 и Н2 равны.

Как отмечалось, обе схемы (по рис. 6-12 и 6-15) из-за недостаточной чувствительности не отзываются на некоторые случаи к. з. во вторичных цепях напряжения.

В этих случаях обе блокировки приходят в действие, но только после работы автоматов, установленных во вторичных цепях трансформаторов напряжения для защиты их от к. з. Контакты автоматов размыкают поврежден ную цепь напряжения, после чего блокирующее устройство реагирует на появившийся обрыв цепи и срабатывает. Таким образом, блокировка в этих случаях работает с замедлением.

Для предотвращения неправильной работы защиты, приходящей в действие от понижения напряжения, обусловленного к. з. в цепях напряжения, необходимо выполнить условие

В связи с этим разработан новый вариант блокировки защит при нарушениях в цепях напряжения [Л. 92].

Р, вызывая его действие. Рассмотренная схема обладает высокой чувствительностью и реагирует на все виды повреждений во вторичных цепях ТН.

д) Оценка схем

Схемы, реагирующие на появление составляющих нулевой последовательности, проще других, но они недостаточно совершенны. Эти схемы не действуют при обрыве трех фаз

143

вторичных цепей ТН, а также при к. з. в цепях напряжения, не сопровождающихся появле-

нием U0.

Схемы на балансе напряжений с тремя трехобмоточными трансформаторами более совершенны, но и более сложны. Их следует применять для блокировки защит на линиях 220 кВ и выше, отключение которых из-за ложной работы защиты существенно влияет на надежность энергосистемы.

6-5. ЕМКОСТНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Для питания устройства релейной защиты наряду с трансформаторами напряжения могут также применяться емкостные делители напряжения. Емкостные делители состоят из нескольких последовательно соединенных конденсаторов, включаемых между проводом фазы и землей (рис. 6-17).

где

Величина U2 достигает нескольких киловольт, поэтому нагрузка подключается к зажимам конденсатора С2 через понизительный трансформатор напряжения 2 (рис. 6-17, б). Присоединение сопротивления нагрузки zр искажает как величину, так и фазу U2, что и вызывает погрешность измерения. Для уменьшения этой погрешности предусматривается компенсирующее устройство, состоящее из реактора 1 и конденсатора 3.

Соответствующим подбором их параметров и ограничением величины нагрузки zр можно с достаточной точностью обеспечить пропорциональность и совпадение по фазе напряжения U2, подводимого к нагрузке zр, с измеряемым напряжением Uф.

Во в т о р о м с п о с о б е (рис. 6-17, в) для измерения напряжения используется зарядный ток Iс, проходящий в делителе.

Ток Ic=	U ô		и, следовательно, пропорционален первичному напряжению.
	õ	õ
	ñ1	ñ2

144

Ко вторичной обмотке трансформатора тока подсоединяется реле. Ток в реле пропорционален первичному току Iс, а следовательно, и первичному напряжению Uф.

В качестве емкостных делителей для отбора напряжения используются специальные конденсаторные вводы выключателей и силовых трансформаторов (рис. 6-18) или конденсаторы связи, применяемые для подключения к линии электропередачи высокочастотных постов связи и защиты.

Существенным недостатком емкостных делителей является относительно малая мощность и большая, чем у трансформаторов напряжения, погрешность.

Так, например, при отборе напряжения от конденсаторных вводов (выключателей и трансформаторов) удается получить мощность примерно 15 В·А на вводах 110

кВ и 35 В·А —на вводах 220 кВ при погрешности по величине напряжения около ±6%,

ип о угл у ± 1 ° .

Вслучае использования конденсаторов связи удается получить мощность примерно 100—120 В·А (на напряжении 220 кВ) при погрешности измерения, соответствующей первому классу точности трансформаторов напряжения. Отечественные заводы выпускают с использованием конденсаторов связи измерительные устройства типа НДЕ-500 для сетей 500 кВ.

6-6. ФИЛЬТР НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Фильтр напряжения обратной последовательности является устройством (рис. 6-19), при помощи которого можно получить напряжение Uтп, пропорциональное составляющей обратной последовательности, содержащейся в напряжении сети

:

Составляющие прямой и нулевой последовательностей такой фильтр не пропускают. Поэтому реле, подсоединенное к выходным зажимам фильтра, реагирует только на U2.

Для упрощения конструкции фильтр обычно включается на линейные напряжения, которые не содержат нулевой последовательности.

145

Наибольшее распространение получили фильтры, состоящие из активных и реактивных сопротивлений, образующих два «плеча» А и С (рис. 6-19), питающихся напряжения-

ми UАВ и UВС.

Таким образом, напряжения каждого плеча образуют прямоугольный треугольник (рис.

6-20, б).

Векторная диаграмма фильтра при питании его напряжением прямой последовательности построена на рис. 6-21.

Показав векторы напряжений между зажимами 1, 2 и 2, 3, строят падения напряжения в плечах (между 1 и 2, 2 и 3) так, чтобы выполнялись условия (6-5а) и (6-6), для чего точки т и п должны совпадать, как это показано на диаграмме рис. 6 -2!. Из полученных при этом треугольников напряжений плеч А и С следует:

Учитывая, что при разомкнутых зажимах тп напряжения пропорциональны сопротивлениям, находим соотношения сопротивлений соответствующих плеч, необходимые для выполнения условия (6-5а), а именно:

146

Теперь посмотрим, что получится на выходе фильтра с выбранными параметрами, если к его зажимам 1, 2 и 3 подвести

Оптимальные условия отдачи мощности имеют место, когда реактивные сопротивления фильтра и реле равны, но различны по знаку [см. § 3-8; уравнение (3-22)].

При трехфазных к. з. и в режиме симметричной нагрузки напряжение, питающее фильтры, содержит только составляющую прямой последовательности, и поэтому напряжение на выходе фильтра в этих случаях равно нулю или, точнее, напряжению небаланса.

Н а п р я ж е н и е н е б а л а н с а возникает из-за неточности подбора сопротивлений плеч, а также из-за наличия некоторой несимметрии напряжения, питающего фильтр, и при отклонении частоты этого напряжения от номинального значения 50 Гц. В последнем случае изменится сопротивление конденсаторов хс и произойдет нарушение заданных соотношений между хс и r, включенных в плечи фильтра.

Если в рассмотренном фильтре переставить местами напряжения Uс и UВ, то при питании фильтра напряжением обратной последовательности выходное напряжение Uтп будет равно нулю, а при питании его напряжением прямой последовательности на зажимах появится напряжение,- пропорциональное U1. Таким образом, рассмотренная схема превратится в фильтр прямой последовательности. Этот вывод нетрудно подтвердить, построив

147

векторные диаграммы фильтра для указанных случаев.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ТОКОВАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ЗАЩИТА

7-1. НЕОБХОДИМОСТЬ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ В СЕТЯХ С ДВУСТОРОННИМ ПИТАНИЕМ

Н а п р а в л е н н о й называется защита, действующая только при определенном направлении (знаке) мощности к. з. Необходимость в применении направленных защит возникает в сетях с двусторонним питанием. Защита в этих сетях должна не только

реагировать на появление тока к. з., но для обеспечения селективности должна также учитывать направление мощности к. з. в защищаемой линии (или, иначе говоря, фазу тока в линии относительно напряжения на шинах).

это видно из рис. 7-2) отрицательна и поэтому направлена из линии к шинам. Таким об-

разом, направление мощности к. з., проходящей по линии, характеризует, где возникло повреждение: на защищаемой линии или на других присоединениях, отходящих от шин данной подстанции.

Это обстоятельство используется в направленной защите, которая по знаку мощности

148

определяет, на каком присоединении возникло повреждение, и действует только при к. з. на защищаемом участке.

Простая токовая защита, не реагирующая на знак мощности, действует как при к. з. на защищаемой линии, так и при повреждениях на других присоединениях, отходящих от шин подстанции, питающей защищаемую линию. Поэтому получить селективное отключение к. з. в сетях с двусторонним питанием с помощью простой токовой защиты, как правило, невозможно.

Действительно, предположим, что в сети на рис. 7-1, а установлены максимальные токовые защиты, и рассмотрим действие какой-либо из них, например защиты 5'. При к. з. в точке К1 выдержка времени защиты 5' должна быть меньше времени действия защит 6', 7'

и 8', т. е. t5' > t6´, t7´ и t8´. В случае же к. з. в точке К2 защита 5' должна действовать медленнее защиты 6' (t5' > t6´). Одновременное выполнение обоих требований невозможно.

Выполнение же только одного из двух требований приведет к неселективной работе защиты.

Так, при выполнении первого требования (т. е. при t5' < t6´, t5' < t7´, t5' < t8´) максимальная защита 5' будет действовать неселективно при к. з. на линии ЛЗ.

Эту неселективность можно устранить, заменив максимальную защиту 5' направленной защитой 5, действующей только при направлении мощности к. з. от ш и н в линию. В этом случае защита 5 не будет действовать при к. з. на ЛЗ и поэтому второе требование (t5> t6) отпадает. При аналогичном выполнении всех остальных защит сети селективное отключение повреждений становится возможным при выборе выдержек времени защит, действующих в одном направлении, по ступенчатому принципу.

На основании изложенного можно сформулировать следующие принципы выполнения селективной защиты в сетях с двусторонним питанием:

1.	Защита должна устанавливаться с обеих сторон каждой линии и действовать
при	направлении мощности	от шин	в линию.
2.	Выдержки времени на	защитах,	работающих при одном направлении мощности

(от генератора А или генератора В), должны согласовываться между собой по ступенчатому принципу, нарастая по направлению к источнику питания, от тока которого действ у- ют рассматриваемые защиты (см. § 7-6).

7-2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОКОВОЙ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ

Максимальная направленная защита должна реагировать на величину тока и направление мощности при к. з. Она представляет собой максимальную токовую защиту, дополненную реле направления мощности. Схема защиты, упрощенно показанная для одной фазы (рис. 7-3), состоит из трех основных элементов (называемых иногда органами защиты): токового реле 1, реагирующего на появление к, з. (пусковой орган защиты); реле направления мощности 2, определяющего направление мощности к. з. (орган направления), и реле времени 3 (орган времени).

В качестве реле направления мощности могут служить электромеханические реле (§ 2-12) или реле на полупроводниках (§ 2-14, б). Поведение этих реле зависит от знака подведенной к

149

их зажимам мощности:

где угол α имеет постоянную величину, равную 0, 90° или α°1(90° > α1 > 0).

П р и к. з. на з а щ и щ а е м о й л и н и и или на следующих за ней участках токовые реле и реле направления мощности замыкают свои контакты и приводят в действие реле времени. Через установленную выдержку времени его контакты замыкаются, подавая импульс на отключение выключателя. П р и к. з. на д р у г и х п р и с о е д и - н е н и я х , отходящих от данной подстанции, мощность к. з. направлена к шинам, поэтому контакты реле мощности размыкаются, не позволяя защите действовать на отключение.

Вн о р м а л ь н о м р е ж и м е при направлении мощности нагрузки от шин в линию реле направления мощности могут замыкать свои контакты, однако срабатывание защиты в этом случае предотвращается пусковым реле Т, контакты которого остаются разомкнутыми. С этой целью пусковые реле отстраиваются от тока нагрузки. В тех случаях, когда по условию чувствительности при к. з. токовые реле не удается отстроить от максимальной нагрузки, применяется блокировка (пуск защиты) от реле минимального напряжения (Н). Упрощенная схема максимальной направленной защиты с блокировкой минимального напряжения, приведенная на рис. 7-4, аналогична рассмотренной в § 4-6 схеме максимальной токовой защиты.

Всетях с изолированной нейтралью максимальная направленная защита устанавливается на двух одноименных фазах во всей сети. В сетях с глухозаземленной нейтралью защита устанавливается на трех фазах, если же защита служит для действия только при междуфазных повреждениях, то она устанавливается на двух фазах.

Токовые направленные защиты выполняются как на постоянном, так и на переменном оперативном токе. Двухфазная схема на переменном оперативном токе представлена на рис. 7-5.

Она выполнена с дешунтированием катушки отключения, с токовым реле времени В и промежуточными реле 1П и 2П с мощными переключающими контактами.

При нарушении цепей напряжения одной или двух фаз, питающих реле направления мощности, защита может при к. з. подействовать неправильно. Поэтому для своевременного выявления повреждения цепей напряжения необходимо иметь устройства, контролирующие их исправность (см. § 6-4).

7-3. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ а) Требования к схемам

Реле направления мощности включаются, как правило, на фазный ток и фаз ное или междуфазное напряжение. Сочетание фаз тока и напряжения питающих реле, называемое схемой его включения, должно быть таким, чтобы реле правильно определяло знак мощности к. з. при всех возможных случаях и видах

150