Выбор уставок дистанционной защиты

Рассмотрим выбор уставок на примере схемы рис. 4.6, а. состоящей из двух участков линий W1 и W2 с тремя источниками питания и понижаюшим трансформатором Т. Все защиты выполняются с использованием направленных ИО сопротивления с характеристикой в виде окружности, проходящей через начало координат. Выбор параметров срабатывания производится для защит одного направления – 1, 3, 5.

На рис. 4.6, б графически изображаются характеристики дистанционных защит.

Рис. 4.6. Участок сети, защищаемый защитой 1 (а) и изображение характеристик выдержек времени дистанционных защит в осях z, t (б)

Первая зона защиты. Первая ступень выполняется без выдержки времени. Селективность в режиме без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором сопротивления срабатывания. Время срабатывания первых ступеней защит для всех участков принимается одинаковым и равным .

Для исключения излишних отключений линии сопротивление срабатывания ИО должно быть выбрано меньше, чем сопротивление при КЗ в начале предыдущих элементов, т.е. меньше сопротивления линии:

,

,

где z _л – сопротивление прямой последовательности защищаемой линии W1, W3; k _отс – коэффициент, учитывающий с некоторым запасом погрешности Δz, могущие вызвать увеличение z _ср. Величина k _отс зависит от точности реле, обычно принимается k _отс=0,85-0,9.

Погрешность ТТ приводит к сокращению зоны действия защиты. Поэтому ТТ, питающие дистанционную защиту, следует выбирать по кривым 10% погрешности при максимальном токе КЗ в конце первой зоны.

Вторая зона защиты. Вторая ступень предназначена для защиты части участка, где не работает первая ступень, когда . Селективность без КЗ и при внешних КЗ обеспечивается выбором времени срабатывания и сопротивления срабатывания .

Для обеспечения селективности протяженность и выдержку времени второй зоны отстраивают от быстродействующих защит трансформаторов и линий, отходящих от шин противоположной подстанции.

При выбранном значении протяженность второй зоны не должна выходить за пределы зон быстродействующих защит линий и трансформаторов, питающихся от подстанции Б.

Сопротивление срабатывания второй ступени должно быть выбрано меньше, чем сопротивление Z _З при КЗ в конце зоны, защищаемой первой ступенью защиты предыдущего элемента, определяемой , или при КЗ за трансформатором в режиме, когда его сопротивление минимально (Z _т = Z _т.min).

Первичное сопротивление Z _З на входе ИО сопротивления второй ступени при КЗ в указанных точках определяется как

,

,

где , – коэффициенты токораспределения при КЗ на W2 и за трансформатором Т.

С учетом возможного сокращения первой зоны защиты на Δ z вторая зона защиты должна быть отстроена аналогично тому, как отстраивалась первая зона защиты от конца линии:

,

,

где k _отс – коэффициент, учитывающий сокращение z _з на Δ z, принимается равным 0,85-0,9. Принимается меньшее значение .

Выбранное значение сопротивления проверяется по условию надежного действия (чувствительности) при КЗ на шинах подстанции В. Согласно ПУЭ:

.

Для линий сопротивлением 5-20 Ом следует стремиться, чтобы k _ч=1,5÷2, т.к. при малом k _ч защиты на линиях с небольшим сопротивлением могут отказывать при КЗ через сопротивление дуги.

Если вторая зона ненадежно охватывает защищаемую линию, т.е. k _ч<1,25, то ее можно отстраивать не от первой, а от конца второй зоны защиты В. При этом время действия второй зоны защиты А должно отстраиваться от времени второй зоны защиты В: , а величина должна выбираться по выражению определения сопротивления при наличии нескольких источников питания.

Третья зона защиты. Третья зона защиты выполняет в основном функции резервирования Селективность без КЗ обеспечивается сопротивлением срабатывания, а при внешних КЗ – выдержкой времени. Выбор выдержек времени, как и для токовых направленных защит, осуществляется по встречно-ступенчатому принципу.

Выбор сопротивления срабатывания производится с учетом двух условий:

1. Для исключения срабатывания ИО сопротивления в нагрузочных режимах его сопротивление срабатывания должно быть меньше минимального рабочего сопротивления при φ_р=φ_раб:

.

2. ИО третьей ступени, сработавший при КЗ на смежном участке, должен вернуться в исходное положение после отключение КЗ выключателем поврежденного участка. Диаграмма изменения сопротивления в этих режимах для защиты 1 приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Изменение Z _з при КЗ

При возникновении КЗ на W2 сопротивление на входе ИО сопротивления снижается от значения Z _раб.min до значения Z _к, а после отключения выключателя 3 возрастает до Z _пер.min – переходного сопротивления, обусловленного пониженным напряжением при появлении токов самозапуска электродвигателей и определяемого как Z _пер.min= Z _раб.min/ k _з, где k _з – коэффициент запуска, больший единицы.

Для возврата ИО сопротивления в исходное положение его сопротивление возврата Z _в.з. при φ_р=φ_раб должно быть меньше переходного сопротивления Z _в.з.< Z _пер.min:

.

Коэффициент чувствительности третьей ступени проверяется при КЗ в конце своего участка (работа защиты как основной):

и в конце зоны резервирования – конце линии W2 и за трансформатором Т

,

, .

Наименьшее значение Z _раб.min имеет место при максимальном токе нагрузки в фазе I _{раб.тах} и пониженном уровне рабочего напряжения U _{раб.мин}, обычно принимаемого на 5-10% меньше номинального:

.

Под U _раб.min подразумевается линейное напряжение.

ПОВЕДЕНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ ПРИ КАЧАНИЯХ И АСИНХРОННЫХ РЕЖИМАХ

Качания возникают при нарушении синхронной работы генераторов электрической системы. Качания сопровождаются возрастанием тока и снижением напряжения в сети, на эти изменения тока и напряжения защиты реагируют так же, как и на симметричное КЗ.

Рассмотрим простейшую электрическую систему, состоящую из двух генераторов: G_А и G_В, связанных между собой линией электропередачи (рис. 4.8, а). В нормальных условиях угловые скорости ω _А и ω _В, с которыми вращаются векторы ЭДС Е_А и Е_В, одинаковы. При нарушении синхронизма скорости вращения роторов генераторов G_А и G_В, а также скорость вращения векторов их ЭДС становятся различными.

Рис. 4.8. Векторные диаграммы токов и напряжений при качаниях:

а) – простейшая электрическая система и ее схема замещения; б) – векторная диаграмма при различных значениях угла; в) – распределение напряжения в системе при d=180°.

В результате этого вектор Е_А (рис. 4.8, б) будет вращаться относительно вектора Е_В с угловой скорость скольжения ω_s=ω _A –ω _B, а разница ЭДС будет менять свою величину в зависимости от угла d.

Полагая, что по величине , из векторной диаграммы, изображенной на рис. 4.8, б, находим:

,

где d – функция времени и скольжения ω_s.

При ω_s=const угол . С учетом этого

.

Полученное выражение показывает, что действующее значение Δ Е принимает максимальное значение при d=180°, а минимальный – при d=0.

Под влиянием ЭДС Δ Е в сети, соединяющей генераторы G_А и G_В, появляется уравнительный ток (ток качания) I _ур:

.

Действующее значение уравнительного тока I _ур меняется с такой же периодичностью, как и Δ Е. Характер изменения I _ур по времени показан на рис. 4.9, а. Максимальное значение I _ур достигается при d=180°, а при d=0 ток I _ур снижается до нуля.

Однако в действительности при d=0 ток I _ур будет отличен от нуля, т.к. обычно .

Напряжение в какой-либо т. М сети при качаниях (рис. 4.8, а) равно: , где – падение напряжения на участке АМ.

Вектор падения напряжения совпадает по фазе с вектором Δ Е (вектор АВ на рис. 4.8, б) и составляет его часть. В каждый момент времени (при каждом значении угла d) действующее напряжение в различных точках сети будет различным. Наименьшее значение оно имеет в т. С, в которой вектор напряжения U_C перпендикулярен вектору Δ Е. Эта точка называется электрическим центром системы или электрическим центром качаний. Она находится в середине сопротивления z_АВ при условии, что ЭДС , а сопротивление на всех участках сети однородно (при вычислении Z_АВ для определения электрического центра, а также токов и напряжения при качаниях сопротивления генераторов замещаются сверхпереходным сопротивлением ). По мере удаления (вправо и влево) от электрического центра системы (т. С) напряжение U_M нарастает.

С изменением угла d изменяются и напряжения во всех точках сети. При d=0 напряжение во всех точках сети одинаково и имеет максимальное значение U _тах =Е. С увеличением d напряжение в сети снижается, имея наименьшую величину в электрическом центре (в т. С). При d=180° напряжение в электрическом центре системы падает до нуля, в остальных же точках системы оно равно (рис. 4.8, в).

На рис. 4.9, б показан характер изменения напряжения в т. М и С сети в функции угла d. Кривые изменения сопротивления для тех же точек сети приведены на рис. 4.9, в.

Как видно из рис. 4.9 особенно неблагоприятные условия для защит, реагирующих на U и Z, возникают в электрическом центре качаний и в близлежащих от него точках из-за резкого понижения напряжения на этом участке сети.

Рис. 4.9. Характер изменения электрических величин на зажимах реле при качаниях:

а) – тока; б) – напряжения; в) - сопротивления

Период качаний Т _кач зависит от степени расхождения скоростей синхронных генераторов. Чем больше разница , тем меньше период качаний Т _кач.

Защиты, действующие мгновенно, могут сработать при любом значении периода качаний при условии, что у токовых реле I _ср< I _кач.max у реле напряжения и сопротивления U _ср и Z _ср соответственно больше, чем U _кач.minи Z _кач.min. Защиты, имеющие выдержку времени, действуют при качаниях только при условии, что период качаний превышает время работы защиты. Однако, защиты с выдержкой времени могут подействовать и при очень малых периодах качаний, если время возврата реле t _в оказывается больше времени Т" (рис. 4.9, а). В этом случае реле не успевает вернуться за время спада качаний и, удерживаясь в сработанном состоянии, может подействовать через несколько циклов качаний, когда истечет время его действия. При качаниях в системе продолжительность периода качаний не остается постоянной. В связи с появившимся возмущением скорость вращения ротора машины начинает изменяться: например, увеличиваясь, она достигает некоторого предела, после чего начинает убывать и затем снова повышается, колеблясь вокруг значения синхронной скорости. Соответственно, меняется и период качаний.

Различают два случая качаний: синхронные и асинхронные. В первом случае появившееся нарушение синхронной работы не сопровождается нарушением устойчивости генераторов. При этом разница электрических скоростей генераторов ω_s=ω _A –ω _B, быстро уменьшается, приближаясь к нулю, а угол d в процессе качаний не достигает 180°.

Во втором случае происходит нарушение устойчивой работы генераторов. Роторы вышедших из синхронизма машин и их ЭДС провертываются относительно друг друга, а угол d превосходит 180°. Для таких качаний характерны нарастание скольжения ω_s и уменьшение периода Т _кач. При определенных условиях и в этом случае генераторы могут втянуться в синхронизм. Однако этот процесс имеет достаточно длительный характер. Поэтому в таких условиях необходимо принять меры, вручную и автоматически способствующие быстрому восстановлению синхронизма.

Работа дистанционных защит прежде всего зависит от поведения реле сопротивления. При углах d, близких к 180°, у электрического центра системы Z _р, как и напряжение U _р, оказывается равными нулю. Реле сопротивления срабатывает при . Из рис. 4.9, в можно сделать вывод, что при качаниях срабатывает только защита подстанции С. С увеличением Z _р и уменьшением времен срабатывания ступеней защит возможность ложных действий возрастает. Последние (третьи ступени) защиты обычно имеют t^III =2 с, и их ложные действия при качаниях и асинхронных режимах маловероятны. Наиболее вероятно ложное действие при качаниях первых ступеней, имеющих t^I <0,1÷0,15 с. Однако и вторые ступени, часто имеющие t^II ≈0,5 с, также могут срабатывать ложно.

Более сложными являются соотношения при наложении качаний на КЗ. Анализ показывает, что и в этих условиях также возможны излишние действия защиты и их отказы. Поэтому на практике дистанционные защиты систем с несколькими источниками питания обычно снабжаются специальными устройствами, имеющими назначение предотвращать их ложные и излишние срабатывания при сильных качаниях и асинхронных режимах и называемыми блокировками при качаниях.

Дата добавления: 2014-12-16