Пусковые органы дистанционной защиты

а) Функции и типы пусковых реле и требования к ним

В односистемных дистанционных защитах и в защитах с одним комплектом дистанционных (измерительных) органов на две зоны необходимы пусковые органы, подготавливающие схему к правиль­ной работе при к. з. Пусковые органы в этих защитах выполняют следующие функции:

1. Пускают реле времени второй, третьей и, если есть, четвертой зон.

2. В схемах с одним комплектом измерительных органов для первой и второй зон, автоматически изменяют сопротивление сра­батывания измерительных органов с первой зоны на вторую (см.§ 11-10, б).

3. В односистемных схемах подводят при к. з. к измерительным органам токи и напряжения поврежденных фаз (см. § 11-10, а).

4. Действуют в качестве резервной зоны защиты.

В трехсистемных защитах с самостоятельными комплектами измерительных органов для каждой зоны, выполненных с помощью направленных реле сопротивления, специальных пусковых органов не требуется.

В этих схемах никаких переключений в цепях измерительных органов не производится. Измерительные органы отстроены от нагрузки. Пуск реле времени осуществляется органами соответствующей зоны. В качестве резервной (третьей) зоны служит дополнительный комплект измерительных органов.

В защитах, использующих для определения зоны реле реактивного со­противления (такие защиты широко применялись раньше в СССР), самостоя­тельный пусковой орган является обязательным. Реле реактивного сопротив­ления реагируют на нагрузку и поэтому нуждаются в органе, разрешающем их работу только при к. з.

Пусковые органы должны удовлетворять трем основным требованиям. Они должны обладать достаточной чувствительностью при к. з., иметь надежную отстройку от максимальной нагрузки и по возможности не дейст­вовать при качаниях. Выполнение этих требований является труд­ной в техническом отношении задачей.

В качестве пусковых реле дистанционной защиты применяются главным образом токовые реле и реле сопротивления. Оба типа пусковых реле должны быть отстроены от нагрузки, что огра­ничивает чувствительность защиты при к. з., особенно на длинных и сильно загруженных линиях. В связи с этим нашли применение реле сопротивления со смещенной круговой, эллиптической и овальной характеристиками, а также особые блокирующие реле (называемые иногда «шорами» или фазоограничителями) и реле с характеристикой в виде четырехугольника. Блокирующие реле применяются в сочетании с пусковыми реле и позволяют ограни­чить их действие при перегрузках, что дает возможность повысить чувствительность защиты при к. з. Токовые реле и реле сопро­тивления реагируют на качания и не полностью отвечают требо­ваниям к пусковым реле. Поэтому защиты с подобными пусковыми реле дополняются блокировками от качаний.

Наиболее рациональной характеристикой пускового реле сопро­тивления является характеристика, показанная на рис. 11-7, е в виде заштрихованного четырехугольника ОАВС, обеспечивающая надежное действие защиты с учетом сопротивления дуги в пределах выбранной зоны действия (участок линии О А). Для обеспечения надежного действия при к. з. характеристика срабатывания реле должна охватывать заштрихованную площадь ОКК'К" (на рис. 11-6, д).

При такой характеристике реле не действует при z_р > z_к.з и поэтому возможность ложной работы защиты при перегрузках и качаниях сводится к минимуму.

б) Токовые пусковые реле

Токовые пусковые реле, включенные на фазные токи. Токовые реле при большой кратности токов к. з. обладают четкой избира­тельностью как при двухфазных, так и однофазных повреждениях, потому что в обоих случаях они действуют только на тех фазах, где протекает ток к. з.

В защитах от междуфазных к. з. пусковые токовые реле доста­точно устанавливать на двух фазах, что позволяет обеспечить их действие при всех видах междуфазных повреждений и необходи­мую избирательность в односистемных и двухсистемных схемах дистанционных защит.

Главный недостаток токового пуска состоит в том, что он реагирует на токи нагрузки и качаний так же, как и на к. з.

Ток срабатывания пусковых реле приходится отстраивать от тока максимальной нагрузки. Поэтому в сетях 11О кВ и выше и особенно на длинных электропередачах с большой нагрузкой токовый пуск оказывается недостаточно чувствительным.

Токовые пусковые реле проще остальных пусковых устройств, поэтому их следует применять во всех случаях, когда они обеспе­чивают надежную чувствительность и отстройку от максимальной нагрузки. Наибольшее применение токовый пуск находит в дистан­ционных защитах сети 35 кВ.

Токовые реле обратной последовательности. В некоторых схе­мах дистанционных защит в качестве пускового органа приме­няется токовое реле, включенное через фильтр обратной после­довательности.

Двухфазные к. з. сопровождаются появлением тока обратной последовательности, и реле надежно действует. При трехфазных к. з. I₂ = 0, но практически все трехфазные к. з. возникают как однофазные или двухфазные повреждения, переходящие затем в трехфазные. Поэтому чтобы обеспечить пуск защиты от реле обратной последовательности при трехфазных к. з., предусматри­вается особая схема, фиксирующая (запоминающая) крат­ковременное или длительное появление I₂ в первый момент возник­новения повреждения. Эта схема рассмотрена в § 13-4 (рис. 13-4 и 13-5).

Преим у щ е с т в о м пуска I₂ является недействие его при симметричных перегрузках и качаниях, а также высокая чувст­вительность при к. з., поскольку I_с.р реле обратной последователь­ности отстраивается только от I_нб фильтра, имеющего небольшую величину. Недостатком реле I₂ является действие при ка­чаниях и нагрузке, если они сопровождаются появлением несим­метрии (I₂ и U₂).

в) Пусковые реле сопротивления

Схемы включения. Схемы включения реле на ток и напряжение сети должны обеспечивать: надежный пуск защиты при к. з. на защищаемой линии и резервируемом участке сети, наилучшую избирательность поврежденных фаз и стабильность зоны действия. Исходя из этих требований, пусковые реле сопротивления — не­направленные и направленные, с круговыми и эллиптическими характеристиками включаются на междуфазные напряжения и разность одноименных фаз токов согласно табл. 11-1 или на междуфазные напряжения и ток одной фазы по табл. 11-2.

С учетом этого первая схема включения должна применяться как лучшая с точки зрения стабильности зон во всех дистанцион­ных защитах, не требующих избирательного пуска.

Контакты пусковых реле соединяются попарно, например П_А и П_в, П_в и П_с, П_с и П_А, как показано на рис. 11-37. При такой схеме в случае двухфазного к. з. цепь пуска создается только одним реле, включенным на на­пряжение петли к. з. Так, при к. з. между фазами В и С сработает реле П_в, включенное на U_вс и ток I_в, и заблокирует действие реле П_с, которое пита­ется током к. з., протекающим по фазе С, но позволяя ему сработать.

Однако при циклической блокировке защита не будет пускаться при трех­фазном к. з., когда срабатывают три реле. Поэтому предусматривается, что одно из трех реле, например П_с, блокируется реле П_в только при условии, что не работает реле П_А.

Благодаря этому реле П_с будет работать при трехфазном к. з. и блоки­роваться при двухфазном к. з. на фазах ВС. Во время двухфазного к. з. может сработать и третье реле сопротивления, включенное на ток неповреж­денной фазы например, при к. з. на В и С реле, питающееся током А), по­скольку напряжение на этом реле также понижается (рис. 11-36). Для устра­нения этой опасности необходимо выбирать уставки реле так, чтобы они не действовали при токах нагрузки, если питающее реле напряжение снизится до 1,5 U_ф.

где U_{раб.мин} — минимальное рабочее напряжение; I_{раб.макc} —наибольший ток нагрузки.

Чем больше I_{раб.макс}, тем меньше z_с.р и чувствительность пуско­вого реле при к. з. Поэтому на длинных линиях с большими нагрузками, где сопротивления на зажимах реле при повреждениях в конце линии и при максимальной нагрузке близки друг к другу по величине, реле с круговой характеристикой с центром в начале координат оказывается недостаточно чувствительным при к. з.

Характеристика ненаправленного реле весьма неудовлетвори­тельна и по условиям качаний. Рабочая область реле охватывает все четыре квадранта комплексной плоскости. Реле действует во время качаний при всех значениях z_р._кач<z_с.р независимо от угла φ_р.

Так как на длинных линиях пусковые реле имеют относительно большие сопротивления z_c.р, то реле на этих линиях оказываются очень восприимчивыми к качаниям. Таким образом, можно сделать вывод, что ненаправленные реле не могут служить для защиты длинных и сильно нагруженных линий как по условиям чувстви­тельности при к. з., так и по условиям отстройки от качаний.

Ненаправленные реле применяются в качестве пусковых орга­нов в сетях 35 кВ и на недлинных и мало загруженных линиях в сети 110 кВ.

По сравнению с токовыми пусковыми реле ненаправленное реле сопротивления отличается большей чувствительностью к к. з., так как оно реагирует не только на увеличение тока, но и на сни­жение напряжения.

Пусковые направленные реле сопротивления с круговой харак­теристикой. Характеристика 2 направленного реле (рис. 11-38) значительно лучше удовлетворяет требованиям, предъявляемым к пусковым реле, чем ненаправленное реле с характеристикой 1. Это объясняется тем, что величина z_с.р направленного реле зависит от угла φ_р, а рабочая зона характеристики относительно невелика и расположена в основном в первом квадранте комплексной пло­скости. Благодаря этому реле обладает, при к. з. большей чувстви­тельностью, чем при нагрузке, и в меньшей степени реагирует на качания.

Действительно, при металлических к. з. угол φ_р сопротивления на зажимах реле z_р.k, равен углу сопротивления линии и составляет 65—80°, т. е. близок к φ_м.ч реле. Поэтому при к. з. реле работает с наибольшей чувствительностью и зоной действия z_c.р = z_с._{р макc}(вектор АС).

В режиме нагрузки с передачей большой активной мощности по защищаемой линии угол сопротивления z" _{раб.мин} меньше, чем при к. з., он колеблется в пределах 10—40°. При этих углах z_с.р. реле уменьшается на 20—50% по отношению к z_{с.р.макс}, что следует из чертежа и уравнения срабатывания реле

Такое загрубление реле при φ_р = φ_нагр позволяет допускать большие нагрузки на линии по сравнению с ненаправленным реле. Это наглядно показано на рис. 11-38, где совмещены характери­стики направленного и ненаправленного реле сопротивления 1 и 2, обладающие одинаковой чувствительностью при к. з. (вектор АС).

Прикачаниях направленное реле сопротивления может действовать, только когда вектор z_р = z_кач попадает в рабочую зону реле, которая в основном ограничена первым квадрантом. Если z_кач находится за пределами первого квадранта, то работа реле невозможна. Таким образом, направленное реле отстроено от качаний значительно лучше, чем ненаправленное.

Недостатком направленного реле является мертвая зона по напряжению, так как реле не работает при U_р = 0 или значе­ниях, близких к нему. Этот недостаток при двухфазных к. з. устраняется применением подпитки реле напряжением треть­ей фазы.

Для устранения мертвой зоны при трехфазных к. з. устанав­ливается токовая отсечка или производится смещение характе­ристики реле в сторону третьего квадранта, последнее допустимо, поскольку третья зона защиты работает с выдержкой времени.

Для устранения мертвой зоны можно применять небольшое смещение характеристики относительно начала координат вдоль оси максимальной чувствительности АС, в сторону IIIквад­ранта.

Однако, как пока­зывает опыт, чувствительность направ­ленных реле оказывается достаточной для безотказного отключения повреж­дений с переходным сопротивлением. Направленные реле с круговой ха­рактеристикой получили широкое при­менение в качестве пусковых органов в сетях 110—220—330—500 кВ. Их применение особенно целесообразно на длинных и сильно загруженных линиях электропередачи. Пусковые направленные реле с эллиптической характеристикой. Харак­теристика реле 1 показана на рис. 11-39, с ней совмещена для сравнения характеристика 2 направлен­ного реле, имеющая вид окружности.    

При к. з. через сопротивление дуги r _д направленное реле допускает меньшее сопротивление, чем ненаправленное, что видно из рис. 11-38 (r"_д<r'_д).

Обе характеристики имеют одинаковую зону действия (отре­зок АВ) при к. з. с углом φ_р = φ_м.ч.

Но при φ_р ≠φ_м.ч реле с эллиптической характеристикой имеют меньшую область действия, чем реле с круговой характе­ристикой. Поэтому они несколько лучше отстраиваются от нагрузки и имеют меньшую возможность срабатывания при качаниях.

Реле с эллиптической характеристикой допускают значи­тельно меньшее переходное сопротивление г_п в месте к. з.,реле с круговой характеристикой. Это является недостатком эллип­тической характеристики, который нужно учитывать при выборе малой оси эллипса. Реле имеет мертвую зону при двухфазных и трехфазных к. з., которая устраняется так же, как и у реле с круговой характеристикой.

г) Реле сопротивления с блокировкой, ограничивающей дей­ствие защиты при перегрузке

Еще большее улучшение характеристики пускового реле можно получить, применив комбинированный пуск, состоящий из направ­ленного реле сопротивления и блокирующего реле сопротивления смешанного типа (рис. 11-40, а). Характеристика 2 реле смешан­ного типа выражается уравнением

перпендикуляр АМ и имеет постоянное значение. На рис. 11-40, а зона действия этого реле заштрихована. Блокирующее реле отсе­кает часть характеристики 1 реле сопротивления, ненужную для работы защиты при к. з. Благодаря этому вероятность неправиль­ной работы- при качаниях и перегрузке сводится к минимуму.

Сочетанием направленного реле сопротивления и д в у х бло­кирующих реле, отсекающих правую и левую части характеристики 1, можно достигнуть даль­нейшего улучшения характеристики пускового устройства.

В качестве блокирующего реле можно использовать обычные реле мощности с углом внутреннего сдвига 60 и 30°.

Пусковое реле с характеристикой в виде четырехугольника. Характеристика реле показана на рис. 11-40, б. Площадь четы­рехугольника АВСД должна быть минимальной, но обеспечиваю­щей работу реле в пределах выбранной зоны действия. Исходя из этого, характеристика реле должна удовлетворять следующим условиям:

Для обеспечения направленности действия точка А характе­ристики должна совпадать с началом координат – точкой О.

Прямая ВС должна проходить через точку L, соответствую­щей концу расчетной зоны действия реле (рис. 11-40, в).

Прямая АL представляет характеристику сопротивления за­щищаемой линии и образует с осью r угол φ_л, равный углу пол­ного сопротивления линии z_л. Точка С выбирается из условия действия реле при к. з. в конце защищаемой зоны (т. е. в точкеL) при наличии переходного сопротивления z_Д в месте повреждения. Как указывалось в § 11-11, а,

С учетом угла α, сдвига фаз между векторами _к = _N - + _М и _N прямая ВС должна проходить относительно оси r под углом а₁ = а + а_зап, где а_зап — угол запаса, учитывающий угловую погрешность измерительных трансформаторов и погрешность в срабатывании реле. Сторона СD должна быть смещена относи­тельно отрезка АL на величину Δz, характеризующую дополни­тельное сопротивление, обусловленное электрической дугой r_Д. При приближении места к. з. к точке А ток I_k возрастает, в резуль­тате этого r_Д и Δz будут уменьшаться. С учетом этого угол β₁ принимается меньше угла защищаемой линии φ_л. Сторона АD по величине должна равняться Δz', которое определяется сопротив­лением r_Д электрической дуги при к. з. в начале линии (точка А), и должна иметь угол α₂ = а + α_зап. Сторона АВ располагается под углом β₂ > φ_л с таким расчетом, чтобы реле надежно дейст­вовало при металлических к. з. на защищаемом участке линии (прямая АL) с учетом погрешности измерительных трансформа­торов и реле. Полученная характеристика реле АВСD обеспечи­вает необходимую чувствительность при к. з. и имеет наилучшую отстройку от нагрузки и качаний по сравнению с другими харак­теристиками, обладающими равной чувствительностью при к. з. Реле с рассмотренной характеристикой могут быть получены с по­мощью двух реле: одного — с характеристикой BАD и другого — с BСD, или одного реле на полупроводниковых элементах. Для устранения мертвой зоны и улучшения резервирования при к. з. на длинных электропередачах можно применять смещение харак­теристики относительно начала координат.

11-13. СХЕМЫ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ

а) Классификация схем

Схемы дистанционных защит можно классифицировать по их назначению, типам дистанционных органов и принципам построе­ния. По назначению схемы подразделяются на схемы защит от междуфазных к. з., от замыканий на землю и от всех видов повреждений. По типу дистанционных орга­нов различаются схемы с дистанционными реле полного реактивного сопротивления. По виду характеристики схемы подразделяются на двухступенчатые и трехступенчатые, и, наконец, по способам построения схемы можно разделить в зави­симости от числа дистанционных органов в каждой зоне защиты на три группы: трехсистемные (с тремя дистанционными органами на зону), д в у х с и с т е м н ы е (с двумя дистанцион­ными органами) и односистемные (с одним дистанцион­ным органом на зону).

В Советском Союзе применяются главным образом схемы с ди­станционными органами, реагирующими на полное сопротивление z_Р и его угловой сдвиг φ_p, в качестве защиты от междуфазных к. з. Дистанционные защиты от замыканий на землю в СССР не применяются, поскольку от этого вида повреждения в сети 110 кВ и выше успешно используются более простые токовые направ­ленные защиты нулевой последовательности со ступенчатой ха­рактеристикой.

Реактансные защиты вследствие сложности их схем и отсутствия существенных преимуществ распространения в СССР не получили.

б) Общие принципы выполнения схем дистанционных защит

Дистанционная защита может применяться в качестве основ­ной защиты или резервной. В первом случае она должна выполняться трехступенчатой, обеспечивая посредством первой и второй зоны защиту линии с минимальными выдержками времени и с помощью третьей зоны — резервирование защиты следующего участка. Во втором случае защита выполняется трехступенчатой, если резервная защита должна дублировать основную защиту, и по упрощенному варианту с двумя или одной ступенью, если ее за­дача сводится к резервированию защиты следующего участка и основной защиты своей линии без соблюдения требования быстро­действия.

В качестве дистанционных (измерительных) органов в совре­менных схемах защит используются главным образом направлен­ные реле с характеристикой в виде окружности или эллипса, проходящих через начало координат или смещенных относительно него в III и I квадранты.

Перспективными являются реле с характеристикой в виде четы­рехугольника, изображенной на рис. 11-7, е. Как было показано в § 11-12, эти характеристики обеспечивают наибольшую чувстви­тельность при к. з. и лучшую отстройку от токов нагрузки и кача­ний.

Ненаправленные дистанционные органы с круговой характе­ристикой в сочетании с органами направления мощности приме­няются в односистемных схемах для защиты сетей 35 кВ. В целях Упрощения для первой и второй зон, как правило, используется один комплект дистанционных органов с переключением уставки с первой на вторую зону (см. § 11-10, б).

В схемах дистанционных защит, установленных на участках сети, где возможны качания, при которых защита может срабо­тать неправильно, предусматривается специальное блокирующее устройство (см. § 13-2), исключающее действие защиты в этом режиме.

Все реле сопротивления могут неправильно работать при исчез­новении напряжения, вызванном неисправностями во вторичных цепях трансформаторов напряжения. Поэтому в схемах преду­сматривается блокировка (см. § 6-4), снимающая оперативный ток с защиты в случае неисправности в цепях напряжения. При токовых пусковых органах блокировка не ставится, поскольку токовые пусковые органы не позволяют работать защите в нор­мальном режиме. В этом случае достаточно иметь сигнал об исчез­новении напряжения в цепях защиты.

В Советском Союзе распространены трехсистемные и односистемные схемы. Трехсистемные защиты отличаются от односистемных большей простотой и четкостью схемы, большей надеж­ностью и быстротой действия вследствие отсутствия в них переклю­чений в цепях тока и напряжения.

Трехсистемные схемы. В качестве примера, иллюстрирующего принцип выполнения трехсистемных защит, на рис. 11-41 приведена схема двухступен­чатой дистанционной защиты, не предназначенная для резервирования сле­дующего участка сети. Схема имеет три направленных измерительных органа первой зоны РС₁ и три таких же органа второй зоны РС₂.

Измерительные органы жестко включены на междуфазные напряжения и разность токов соответствующих фаз.

Поскольку защита выполняется без третьей зоны, а ее дистанционные реле обладают направленностью, отстроены от нагрузки и не требуют ника­ких переключений в своих цепях, пусковые реле и реле направления мощности становятся излишними, поэтому эти органы в рассматриваемой схеме отсут­ствуют. Схема оперативных цепей защиты (рис.11-41, а) очень проста. При к. з. в пределах первой зоны дистанционные реле РС₁ соответствующих фаз приходят в действие и замыкают цепь выходного промежуточного реле РП_В, последнее срабатывает, подавая импульс на отключение выключателя.

При к. з. во второй зоне действуют дистанционные органы РС_г, пуская реле времени РВ_II. По истечении установленной на нем выдержки времени контакты РВ_II замыкаются и замыкают цепь реле РП_В. При действии защиты выпадают флажки соответствующих указательных реле: РУ₁ или РУ_П и РУ_В.

 

Во избежание неправильного действия защиты при обрыве в цепях на­пряжения, питающих реле РС, в схеме предусмотрена блокировка при по­мощи реле РН. При повреждении в цепях напряжения реле РН выводит защиту из действия, снимая с нее плюс. Реле РН реагирует и на к. з. с зем­лей в первичной сети; чтобы сохранить защиту в действии при подобных по­вреждениях, установлено реле РТ₀, питающееся током нулевой последова­тельности. При замыканиях на землю реле РТ_о шунтирует контакты реле РН, сохраняя, таким образом, плюс на защите (см. гл. 6).

Блокировка защиты при кача­ниях осуществляется контактами БК, замыкающимися только при к. з. Схема цепей переменного тока защиты приведена на ис. 11-41, б. На схеме показан один дистанцион­ный орган типа КРС-131, включен­ный на р = АВ и р = А — В; остальные включаются аналогично. В [Л. 81] рассмотрена защита ПЗ-2, предназначенная для сетей 110—330 кВ. Защита состоит из двух­ступенчатой защиты ДЗ-2, к которой добавлена третья ступень, обеспечи­вающая резервирование следующих участков сети. Третья зона выпол­няется с помощью трех направлен­ных реле сопротивления КРС-1. За­щита имеет три направленных ди­станционных органа, построенных на схемах сравнения на выпрямлен­ном токе. Двухсистемные схемы (рис. 11-42). В Советском Союзе была разработа­на и широко применялась двухсистемная схема дистанционной за­ щиты типа ПЗ-158 и ПЗ-159.

В этой схеме один дистанционный орган РС⁽³⁾ (КРС-131) служил для определения удаленности к. з. при трехфазных к. з. и второй РС⁽²⁾ типа КРС-121 — для действия при двухфазных к. з. Цепи тока и напряжения подводились к обоим реле жестко без переключений.

В качестве пусковых реле ПО и дистанционного органа третьей зоны ис­пользовались направленные реле сопротивления КРС-131. Защита имела блокировку от качаний и блокировку от исчезновения напряжения. Упрощен­ная схема защиты приведена на рис. 11-42.

Односистемные защиты. Завод ЧЭАЗ выпускает односистемную защиту типа ПЗ-1 с реле мощности и сопротивления на выпрямленных токах. Защита предназначена для сети 35 кВ. Она имеет токовые пусковые реле, один дистан­ционный орган, выполненный по схеме сравнения, на выпрямленном токе и орган направления мощности на кольцевой фазочувствительной схеме. Ток и напряжение к дистанционному органу и органу направления мощности подводятся с помощью промежуточных реле, управляемых токовыми пуско­выми реле защиты. Защита имеет три ступени времени.

Схема защиты подробно рассматривается в [Л. 81 и 97].

Дата добавления: 2014-12-23