Н.В. Чернобровов Релейная защита

последовательности. Полная схема такой защиты показана на рис. 10-33. В этой схеме комплект, включенный на разность фазных токов, выполняется двухфазным.

Фазный комплект блокируется при к. з. на землю. При этом отпадает необходимость в отстройке пусковых реле ТА и ТС фазного комплекта от тока в неповрежденных фазах согласно условию (10-25). Блокировка осуществляется размыкающим контактом пускового реле То.

Ток срабатывания реле То (Iс.з.н.п) должен удовлетворять условию (10-34) не только при внешних к. з., но также при трехфазных к. з. на одной из параллельных линий у места установки защиты.

Пусковое реле То не должно работать от тока небаланса I íá(3).ìàêñ возникающего в этом случае, так как иначе фазный комплект будет выведен из действия. Поэтому

Iс.з.н.п = kн I íá(3).ìàêñ

10-13. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПУСКОВЫХ О РГАНОВ ПОПЕРЕЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Ток с р а б а т ы в а н и я пускового токового реле у не отстраивается от Iн.макс и выбирается лишь по условию отстройки от Iнб при внешних к. з. по выражению (10-

23).

Защита, включаемая на разность токов I0. При больших токах небаланса чувствительность

231

пускового реле может оказаться недостаточной. Для повышения чувствительности токовое пусковое реле То дополняется реле напряжения Но, реагирующим на ЗU0 (рис. 10-35). При к. з. на землю появляются ток I0 и напряжение Uо. Оба реле То и Н0 приходят в действие, разрешая защите работать.

При междуфазных к. з. реле Но не действует, и поэтому ложного пуска комплекта от однофазных к. з. и блокирования комплекта от междуфазных к.з не может быть, даже если реле То сработает от Iнб. Н а п р я ж е н и е с р а б а т ы в а н и я реле Но выбирается больше Uнб при нормальном режиме. Обычно Uнб ≤ 5В. Поэтому Uс.р принимается не больше 10 В.

Т о к с р а б а т ы в а н и я То при наличии пускового реле Н0 отстраивается только от тока небаланса при внешних к. з. на землю. Благодаря этому чувствительность пускового органа повышается.

10-14. ОЦЕНКА НАПРАВЛЕННЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТ

Положительными особенностями направленной поперечной защиты являются простота схемы, меньшая стоимость по сравнению с продольной дифференциальной защитой, отсутствие выдержки времени, нереагирование на качания, простота выбора параметров защиты.

К недостаткам защиты нужно отнести каскадное действие, вызывающее замедленное отключение к. з. в зоне каскадного действия; мертвую зону по напряжению; необходимость вывода из действия защиты при отключении одной линии, в связи с чем требуется дополнительная полноценная защита для оставшейся линии; неправильную работу защиты при обрыве провода линии с односторонним заземлением.

10-15. ТОКОВАЯ БАЛАНСНАЯ ЗАЩИТА [Л. 42]

Токовая балансная защита является разновидностью поперечной дифференциальной защиты. Она основана на сравнении величин токов в параллельных линиях с использованием для этой цели специальных балансных реле.

В отличие от направленной дифференциальной защиты она не реагирует на направление токов в параллельных линиях и поэтому не может применяться на приемном конце ВЛ. В Советском Союзе эта защита не получила распространения.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

ДИСТАНЦИОННАЯ ЗАЩИТА

11-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В сетях сложной конфигурации с несколькими источниками питания рассмотренные выше максимальные и направленные защиты не могут обеспечить селективного отключения к. з. В этом нетрудно убедиться на примере кольцевой сети с двумя источниками питания, представленной на рис. 11-1.

При к. з. на линии Л2 максимальная направленная защита 3 должна работать быстрее защиты 1, а при к. з. на линии Л1, наоборот, защита 1 должна работать быстрее защиты 3. Эти противоречивые требования не могут быть выполнены при помощи максимальной направленной защиты. Кроме того, максимальные и направленные защиты часто не удовлетворяют требованию быстроты действия. Токовые отсечки далеко не всегда применимы, а продольные дифференциальные защиты могут устанавливаться только на коротких линиях.

В связи с этим возникла необходимость в применении других принципов, позволяющих получить защиты с необходимым быстродействием, обеспечивающие селективность и чувствительность в электрических сетях любой конфигурации. Одной из таких защит является д и с т а н ц и о н н а я з а щ и т а .

Выдержка времени дистанционной защиты t зависит от расстояния (дистанции) lр к (рис. 11- 2) между местом установки защиты и точкой к. з., т. е. t = f (lр к), и нарастает плавно или ступенчато с увеличением этого расстояния (рис. 11-3). При таком принципе действия ближайшая к месту повреждения дистанционная защита всегда имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные защиты, благодаря этому автоматически обеспечивается селективное отключение поврежденного участка

232

Например, при к. з. в точке К1 (см. рис. 11-2) защита 2, расположенная ближе к месту повреждения, работает с меньшей выдержкой времени, чем более удаленная защита 1. Если же к. з. возникнет в точке Кг, то время действия защиты 2 автоматически увеличится и к. з. будет селективно отключено защитой 3, которая в этом случае срабатывает быстрее остальных защит (2 и 1).

Основным элементом дистанционной защиты является д и с т а н ц и о н н ы й о р г а н (называемый также измерительным органом), определяющий удаленность, к. з. от места установки защиты.

В качестве дистанционного (измерительного) органа исполь зуются р е л е с о - п р о т и в л е н и я , непосредственно или косвенно реагирующие на полное, активное или реактивное сопротивление линии (z, r, х). Сопротивление фазы линии от места установки реле до места к. з. пропорционально длине этого участка, так как

Таким образом, поведение реле, реагирующих на сопротивление линии, зависит от удаленности места повреждения lр к. В зависимости от вида сопротивления, на которое реагирует дистанционный орган (z, х или r), дистанционные защиты подразделяются на защиты полного, реактивного и активного сопротивлений. Дистанционные защиты реактивного и особенно активного сопротивлений применяются редко и поэтому в дальнейшем не рассматриваются.

Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации необходимо выполнять направленными, действующими только при направлении мощности к. з. от шин в линию (рис. 11-1). Выдержки времени у защит, работающих при одинаковом направлении мощности, взаимно согласовываются так, чтобы при к. з. за пределами защищаемой линии каждая защита имела выдержку времени на ступень больше выдержки времени защит на следующем участке. Направленность действия дистанционных защит осуществляется при помощи обычных реле направления мощности или путем применения направленных измерительных или пусковых органов, способ-

ных реагировать на направление мощности к. з.

11-2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ

Зависимость времени действия дистанционной защиты от расстояния или сопротивления до места к. з. t = f (lр к) или t = f (z) называется характеристикой выдержки времени дистанционной защиты. По характеру этой зависимости дистанционные защиты делятся на три группы: с плавнонарастающими (наклонными) характеристиками времени действия, ступенчатыми и комбиниро-

233

ванными характеристиками (рис. 11-3).

Конструктивное выполнение дистанционных защит с наклонной и комбинированной характеристиками значительно сложнее, чем с характеристикой ступенчатого типа; в то же время ступенчатые защиты обеспечивают более быстрое отклонение повреждений, чем защиты с наклонной характеристикой. В результате этого наиболее распространенными являются дистанционные защиты со ступенчатой характеристикой. Они выполняются в большинстве случаев с тремя ступенями времени: t1, tII, tIII, соответствующими защиты и с большим числом ступеней и зон, но увеличение их числа ведет к усложнению защит и не дает существенной пользы.

Принцип обеспечения селективности действия защит со ступенчатой характеристикой иллюстрируется на рис. 11-4.

Протяженность первой зоны берется несколько меньше протяженности линии с учетом погрешности z в сопротивлении срабатывания дистанционного реле. В зависимости от точности реле первая зона составляет 0,7—0,85 длины защищаемой линии. При к. з. в пределах первой зоны защита действует мгновенно. Остальная часть линии и шины противоположной подстанции охватываются второй зоной, протяженность и выдержка времени которой согласуются с первой, зоной защиты следующего участка. Короткое замыкание в пределах второй зоны за-

щита отключает с выдержкой времени t2. Последняя, третья зона защиты является резервной, ее протяженность выбирается из условия охвата следующего участка на случай отказа его защиты или выключателя. При повреждениях в третьей зоне защита действует с выдержкой времени t3.

На диаграмме рис. 11-4 пунктиром показаны выдержки времени токовых направленных защит в предположении, что они установлены вместо ди-

станционных. Сравнение их с характеристиками дистанционных защит показывает, что дистанционный принцип позволяет существенно уменьшить время отключения к. з. на линиях и, что особенно важно, дает возможность отключать к. з. вблизи шин станций и подстанций быстрее, чем удаленные от шин к. з.

11-3. ЭЛЕМЕНТЫ И УПРОЩЕННАЯ СХЕМА ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Дистанционная защита относится к числу сложных защит. Все разновидности этой защиты состоят из нескольких общих элементов (органов защиты), выполняющих определенные однотипные функции.

Взаимную связь между органами дистанционной защиты, их назначение и выполняемые ими функции можно пояснить упрощенной схемой защиты со ступенчатой характеристикой, показанной для одной фазы на рис. 11-5..

За щ и т а с о с т о и т - из следующих органов:

1)п у с к о в о г о органа 2, пускающего защиту при возникновении к. з. Обычно пус-

ковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле. На рис. 11-5 в качестве пускового органа 1 показано реле сопротивления, питаемое током Iр и напряжением Uр сети;

2) д и с т а н ц и о н н о г о органа 2, определяющего удаленность места к. з. В ступенчатых защитах — выполняется с помощью реле минимального сопротивления. К реле подводятся ток

234

где zc.р — наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т. е. сопротивление срабатывания реле.

Сопротивление zр иногда называется ф и к т и в н ы м, так как в некоторых режимах (например, при нагрузке и качаниях) zр ее является сопротивлением линии. В этих случаях оно представляет собой отношение Uр/Iр, обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения;

3) о р г а н а в ы д е р ж к и в р е м е н и 3, создающего выдержку времени, с которой в зависимости от поведения дистанционного органа действует защита; выполняется в виде реле времени обычной конструкции;

4)о р г а н а н а п р а в л е н и я мощности 4, не позволяющего работать защите при. направлении мощности к. з. к шинам подстанции. Выполняется при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые

идистанционные органы не обладают направленностью;

5)б л о к и р о в к и , автоматически выводящие защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки:

а) блокировка 5 от исчезновения напряжения Uр при неисправностях в цепях напряжения, питающих защиту; при Uр = О, как следует из (11-1), zр == 0, в этих условиях пусковые реле (если они реагируют на z) и дистанционные органы защиты приходят в действие, что может привести к неправильной работе защиты; блокировка 5 выполняется по схемам, рассмотренным в § 6-4, она приходит в. действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

6)блокировка б от неправильного действия защиты при качаниях в системе; в этом ре-

жиме напряжение Uр снижается, а ток Iр возрастает, при этом согласно (11-1) zр уменьшается, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут сработать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка 6 (см. гл. 12) приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

Ра б о т а с х е м ы . При к. з. на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов

ина катушку реле времени третьей зоны. Если к. з. возникло в пределах первой зоны, то

дистанционный орган первой зоны ДОI замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если к. з. произошло во второй зоне, ДОI не работает, так как сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (zр > zI). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны ДОII. Он замыкает контакты и пускает реле времени ВII. ПО истечении времени tIIВII замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При к. з. за пределами второй зоны дистанционные органы ДОI и ДОII не работают, так

235

как сопротивления на их зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени ВIII, запущенное пусковым реле, срабатывает, когда истечет его выдержка времени tIII, и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.

11-4. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ РЕЛЕ И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ

а) Характеристика срабатывания

Первоначально дистанционная защита выполнялась с помощью реле сопротивления, реагирующих только на абсолютную величину сопротивления zk до точки к. з. Но по мере увеличения протяженности линий электропередачи и роста передаваемой по ним нагрузки абсолютные значения сопротивлений при к. з. zk = Uк/Iк в конце линий стали соизмеримыми с сопротивлениями zн при аварийной нагрузке на линиях электропередачи. В таких условиях реле сопротивления, реагирующие на абсолютные значения z, не могут точно резличать к. з. от нагрузки. В связи с этим дистанционные защиты стали

выполняться реагирующими не только па величину zр, но и на угол φр = arctg rx , так как

при к. з. и при передаче больших потоков активной мощности углы сопротивлений zk и zН различаются: при к. з. φр ≈80°, а при нагрузке φр ≈15 ÷30°. Для этой цели были разработаны реле сопротивления, у которых zс.р = f (zр, φр). Такая зависимость называется характеристикой срабатывания реле. Предложены и получили распространение реле с различными характеристиками, рассматриваемыми ниже.

б) Использование комплексной плоскости для изображения характеристик реле

236

плоскости изобразится в виде прямой, смещенной относительно оси r на угол φл (рис.

11-6, г).

Начало защищаемой линии, где установлена рассматриваемая защита А, совмещается с началом координат (рис. 11-6, в и г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону защиты А, считаются положительными и располагаются в I квадранте плоскости (рис. 11-6, в). Координаты участков сети, расположенных влево от точки А, считаются отрицательными и располагаются

237

238

место точек, удовлетворяющих условию zр = zс.р. Заштрихованная часть характеристики, где zр ‹ zс.р, соответствует области действия реле. При zр, выходящих за пределы заштрихованной части, т. е. при zр > zс.р, реле не работает. Таким образом, характеристика работы реле является пограничной кривой, определяющей условия действия реле. Эту характеристику можно рассматривать как зависимость величины (модуля) вектора сопротивления срабатывания реле zс.р от угла φр, определяющего его направление, и представлять в виде уравнения

zс.р = f (φр).

Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при к. з. в преде-

лах принятой зоны действия (z'). С учетом сопротивления электрической дуги вектор zр = zk + rД может располагаться при к. з. на защищаемом участке линии в пределах площади че-

тырехугольника ОКК'К", показанного на рис. 11-6, д. Действие реле при к. з. будет обеспечено, если характеристики срабатывания реле, показанные на рис. 11-7, будут охватывать область комплексной плоскости, в которой может находиться вектор сопротивления zр при к. з. на ли-

нии (площадь ОКК'К" на рис. 11-6, д).

На рис. 11-7 приводятся наиболее распространенные характеристики реле, изображаемые в осях х, r в виде окружности, эллипса, прямой линии, многоугольника.

Ненаправленное реле полного сопротивления (рис. 11-7, а).

239

Уравнение срабатывания реле
zс.р= K	(11-2)

где К — постоянная величина.

Характеристика этого реле имеет вид окружности с центром в начале координат и радиусом, равным К. Реле работает при zр ≤ К, при любых углах φр между вектором zр и осью r. Зона действия реле расположена в четырех квадрантах, в том числе в первом и третьем. Последнее означает, что реле с характеристикой (11-2) работает как н е н а п р а в - л е н н о е реле сопротивления.

Направленное реле полного сопротивления имеет zс.р, зависящее от угла φр (рис. 11-7,

б). Его характеристика срабатывания изображается окружностью, проходящей через начало координат. Сопротивление срабатывания имеет максимальное значение при

φр = φм.ч

где φм.ч — угол максимальной чувствительности реле, при котором zс.р= zс.р.макс, т. е. равен диаметру окружности ОВ.

Зависимость срабатывания этого реле от угла φр может быть представлена уравнением

zс.р = zс.р макс соs (φм.ч — φр).

(11 -3)

Оно легко получается из рассмотрения треугольника ОВС на рис. 11-7, б. Реле не работает при zр, расположенных в третьем квадранте. Это означает, что оно не может действовать, если мощность направлена к шинам подстанции. Следовательно, рассмотренное реле является н а п р а в л е н н ы м .

Реле со смещенной круговой характеристикой (рис. 11-7, в). Характеристика реле смещена относительно оси координат в третий квадрант на величину z". Поэтому реле не только работает на защищаемой линии, но и захватывает шины А, питающие линию, часть длины отходящих от них присоединений. Уравнение смещенной характеристики имеет вид:

Уравнение (11-4) можно получить из рассмотрения треугольника ОО'С. Как видно из чертежа, геометрическая разность ректора z' —z" равна диаметру-окружности, отсюда

где С — любая точка окружности; r — радиус окружности. Приравнивая левые части уравнений (11-4а) и (11-46), получаем (11-4).

Реле с эллиптической характеристикой. На рис. 11-7, г изображена характеристика направленного реле, имеющая вид эллипса. Сопротивление срабатывания zс.ртакого реле зависит от угла φр и имеем наибольшее значение при φр = φм.ч. Угол φм.ч обычно принимается равным φл. Сопротивление zс.р.макс равно большей оси эллипса 2а.

Как известно, эллипс является геометрическим местом точек, сумма расстояний которых до фокусов b и d постоянна и равна большой оси 2а. На основании этого, обозначая координаты фокусов b и d, z" и z', а координаты любой -точки С эллипса zс.р, получаем уравнение эллиптической характеристики

Зона действия реле заштрихована. По сравнению с круговой характеристикой эллиптическая характеристика имеет меньшую рабочую область. Это дает возможность лучше от-

240