Дистанционная защита

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В сетях сложной конфигурации с нескольким источниками питания простые и направленные токовые защиты не могут обеспечить селективного отключения КЗ.

Рассмотрим кольцевую схему с двумя источника питания на рис. 4.1. Предположим, что на подстанциях установлены максимальные направленные защиты.

Рис. 4.1. Кольцевая сеть с двумя источниками питания

При КЗ на линии W2 (т. К1) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: , . Однако при КЗ на линии W3 (т. К2) времена срабатывания защит выглядят следующим образом: , . Как видим, возникают противоречия работы защиты по отношению к временам срабатывания. Следовательно, в таких сетях применение максимальной направленной защиты не удовлетворяет требованиям селективности, быстродействию.

В связи с этим возникла необходимость в применении других принципов, позволяющих получить защиты с необходимым быстродействием, обеспечивающие селективность, чувствительность в сетях любой конфигурации. Одной из таких защит является дистанционная защита.

Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удаленность КЗ от места установки защиты.

В качестве дистанционного (измерительного) органа используется реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующие на полное, активное, реактивное сопротивление линии (z, r, x). Сопротивление фазы линии от места установки реле до места КЗ пропорционально длине этого участка: z _рк = z _уд · l _к, r _рк = r _уд · l _к, x _рк = x _уд · l _к, где z _рк, r _рк, х _рк – полное, активное и реактивное сопротивления участка линии длиной l _рк; z _уд, r _уд, х _уд – удельное сопротивление на 1 км линии.

Таким образом, поведение реле, реагирующих на сопротивление линии, зависит от удаленности места повреждения l _рк.

Для обеспечения селективности дистанционные защиты в сетях сложной конфигурации необходимо выполнять направленными, действующими только при направлении мощности КЗ от шин в линию.

ПРИНЦИП ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОСТИ

Принцип обеспечения селективности действия защит со ступенчатой характеристикой рассматривается на примере схемы сети (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Согласование выдержек времени дистанционных защит со ступенчатой характеристикой (Δ z – погрешность дистанционного реле; 1, 2 – дистанционные защиты)

Протяженность первой зоны берется несколько меньше протяженности линии с учетом погрешности Δ z в сопротивлении срабатывания дистанционного реле. В зависимости от точности реле первая зона составляет 0,7-0,85 длины защищаемой линии. При КЗ в пределах первой зоны защита действует мгновенно. Остальная часть линии и шины противоположной подстанции охватываются второй зоной, протяженность и выдержка которой согласуются с первой зоной защиты следующего участка. Короткое замыкание в пределах второй зоны защита отключает с выдержкой времени t₁^II. Последняя, третья ступень 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 t₁^III.

ЭЛЕМЕНТЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

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

Защита состоит из следующих органов (рис. 4.3):

· пускового органа ПО, пускающего защиту при возникновении КЗ. Обычно пусковой орган выполняется при помощи реле полного сопротивления или токовых реле.

· дистанционного органа ДО, определяющего удаленность места КЗ. В ступенчатых защитах выполняется при помощи реле минимального сопротивления. К реле подводится ток и напряжение защищаемой линии (I _p и U _р) и оно срабатывает при условии , где z _ср – наибольшее сопротивление, при котором реле начинает действовать, т.е. сопротивление срабатывания реле.

Сопротивление z _р иногда называют фиктивным, т.к. в некоторых режимах (при нагрузке и качаниях) z _р не является сопротивлением линии. В этих случаях оно представляет отношение , обладающее размерностью сопротивления, но не имеющее физического значения.

· органа выдержки времени В, создающего выдержку времени, с которой в зависимости от поведения дистанционного органа действует защита.

· органа направления мощности ОМ, не позволяющего работать защите при направлении мощности КЗ к шинам подстанции. Выполняются при помощи реле направления мощности и предусматривается только в тех случаях, когда пусковые и дистанционные органы не обладают направленностью.

· блокировки, автоматически выводящие защиту из действия в тех режимах, когда защита может сработать неправильно при отсутствии повреждения. Обычно применяются две блокировки:

- блокировка от исчезновения напряжения U _р при неисправностях в цепях напряжения БН, питающих защиту; при U _р=0 z _р=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 приходит в действие при неисправностях в цепях напряжения, снимает оперативный ток с защиты, не позволяя ей действовать на отключение;

- блокировка от неправильного действия защиты при качаниях в системе БК; в этом режиме напряжение U _р снижается, а ток I _р возрастает, что приводит к уменьшению z _р, в результате чего пусковые и дистанционные органы защиты могут срабатывать и вызвать неправильное действие защиты; при возникновении качаний блокировка БК приходит в действие и выводит защиту из работы, размыкая ее цепь отключения.

Рис. 4.3. Упрощенная схема трехступенчатой дистанционной защиты

При КЗ на линии работают пусковое реле ПО и реле мощности ОМ. Через их контакты подается плюс постоянного тока к контактам дистанционных органов и на катушку реле времени третьей зоны. Если КЗ произошло в пределах первой зоны, то дистанционный орган первой зоны ДО _I замыкает контакты, образуя цепь на отключение линии. Если КЗ произошло во второй зоне, ДО _I не работает, т.к. сопротивление на его зажимах больше уставки сопротивления срабатывания первой зоны (z _p >z ₁). В этом случае приходит в действие дистанционный орган второй зоны ДО _II. Он замыкает контакты и пускает реле времени В _II. По истечении времени t _II В _II замыкает контакт и посылает импульс на отключение.

При КЗ за пределами второй зоны омметры ДО _I и ДО _II не работают, т.к. сопротивления на его зажимах превышают уставки сопротивления срабатывания. Защита не может действовать со временем первой и второй зон. Реле времени В _III, запущенное пусковым реле, срабатывает когда истечет его выдержка времени t _III и посылает импульс на отключение выключателя. Специальных измерительных органов третьей зоны для упрощения защиты обычно не ставят.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЕ

Характеристикой срабатывания называется зависимость Z _cp= f (φ_p), которая определяет значения векторов z _p на зажимах реле при его срабатывании.

Сопротивление z является комплексной величиной, поэтому характеристики срабатывания реле и сопротивления на их зажимах удобно изображать на комплексной плоскости, в осях x и r (рис. 4.4). В этом случае по оси вещественных величин комплексной плоскости откладываются активные сопротивления r, а по оси j располагаются реактивные сопротивления х. Любое полное сопротивление на зажимах реле может быть выражено через активные и реактивные составляющие в виде комплексного числа и изображено в осях x, r вектором с координатами x _р и r _р (рис. 44, а). Величина этого вектора характеризуется модулем , а его направление – углом φ_p, который определяется соотношением x _р и r _р, поскольку . Из рис. 44, б видно, что угол φ_p равен углу сдвига фаз между векторами тока I _р и напряжения U _р и, следовательно, можно считать, что на комплексной плоскости вектор I _р совпадает с осью положительных сопротивлений r, а напряжение U _р – с вектором z _p.

Рис. 4.4. Комплексная плоскость r, jx:

а) – изображение вектора z_р; б) – треугольник сопротивлений; в) и г) – участок сети и его изображение в осях r, jx; д) – КЗ через сопротивление r электрической дуги

Любой участок сети, например линию АБ, показанную на рис. 4.4, в, можно также представить в осях x и r вектором z _Л, имея в виду, что каждая точка линии характеризуется определенными сопротивлениями r _Л и х _Л.

Если сопротивления всех участков сети имеют один и тот же угол φ_Л, то их геометрическое место на комплексной плоскости изобразится в виде прямой, смещенной относительно оси r на угол φ_Л (рис. 4.4, г).

Начало защищаемой линии, где установлена рассматриваемая защита А, совмещается с началом координат (рис. 4.4, в и г). Координаты всех участков сети, попадающих в зону защиты А, считаются положительными и располагаются в первом квадранте плоскости (рис. 4.4, в). Координаты участков сети, расположенных влево от т. А, считаются отрицательными и располагаются в третьем квадранте.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СРАБАТЫВАНИЯ РЕЛЕ

Характеристики каждого реле представляют собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию z _р =z _ср. Таким образом, характеристика работы реле является пограничной кривой, определяющей условия действия реле.

Характеристика срабатывания реле должна обеспечивать работу реле при КЗ в пределах защищаемой зоны. При КЗ вектор сопротивления на зажимах реле z _р равен геометрической сумме вектора сопротивления линии z _к до места повреждения и сопротивления электрической дуги r _д, которая может возникать в месте КЗ (рис. 4.4, д), т.е. z _р =z _к+ r _д.

На рис. 4.4, д отрезок ОА изображает вектор сопротивления линии, равный сопротивлению z _к зоны действия реле; отрезок АВ представляет вектор сопротивления электрической дуги, имеющей активное сопротивление r _д (дело в том, что активный характер сопротивления дуги справедлив для условий одностороннего питания; при двустороннем питании за счет сдвига фаз между токами КЗ от генераторов, вектор АВ будет расположен под углом к оси r). Площадь ОАВС определяет область, в пределах которой может располагаться вектор z _р при КЗ в различных точках линии, с учетом сопротивления электрической дуги.

Рассмотрим несколько характеристик срабатывания реле (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Виды характеристик реле сопротивления:

а) – реле полного сопротивления; б) – направленное реле сопротивления;

в) – эллиптическая характеристика; г) – многоугольная характеристика

Круговая характеристика с центром в начале координат (рис. 4.5, а). Сопротивления срабатывания реле с такой характеристикой z _ср не зависят от φ_p. Поэтому они называются реле полного сопротивления.

Круговая характеристика, проходящая через начало координат, с центром, располагаемым обычно на прямой, характеризующей защищаемый участок (рис. 4.5, б). Сопротивления срабатывания реле z _ср зависят от φ_p, причем наибольшую чувствительность (z _сртах) оно имеет при , т.е. при металлических КЗ на защищаемой линии. Возможно расположить диаметр окружности и под углом меньшим к φ_Л к оси r для повышения чувствительности к переходным сопротивлениям r _д. Характеристика не охватывает повреждения на последующих элементах системы, располагающихся в третьем квадранте, и поэтому реле с такой характеристикой называется направленным реле сопротивления. Работа реального реле характеризуется граничной линией, не проходящей через начало координат. Поэтому в начале линии появляется мертвая зона, при КЗ в которой реле может отказывать в срабатывании. При использовании реле для третьей и второй ступеней мертвую зону можно исключить, несколько смещая характеристику в третий квадрант. Для реле первой ступени это недопустимо, т.к. это приведет к возможности излишнего срабатывания защиты при близких КЗ на смежном участке «за спиной»; поэтому для исключения мертвой зоны у первой ступени используют специальные меры.

Эллиптическая характеристика, проходящая через начало координат, с большой осью, наклоненной к оси r под углом, равным углу сопротивления защищаемой линии (рис. 4.5, в). Реле с такой характеристикой предлагались прежде всего для последних ступеней защиты, пусковых органов, как обеспечивающие лучшую, чем направленные реле, отстройку от рабочих режимов и качаний. Для исключения мертвых зон и уменьшения влияния r _п (переходное сопротивление) при близких КЗ, характеристики для вторых и третьих ступеней могут смещаться в третий квадрант.

Многоугольная характеристика (рис. 4.5, г). Ее стороны выбираются с учетом следующих соображений. Верхняя сторона должна четко фиксировать конец защищаемой зоны. Правая боковая сторона обеспечивает отстройку от рабочих режимов. Левая боковая сторона помогает отстройке от нагрузок, передаваемых к месту установки защиты. Нижняя сторона для реле первой ступени проходит через начало координат и имеет наклон, обеспечивающий работу при близких КЗ через r _д; для второй и третьей ступеней она может быть для устранения мертвых зон смещена в третий квадрант.

Дата добавления: 2014-12-16